暗辐射:一种新的宇宙学成分?

(我好久没有写新文章了,在这里向大家表示歉意。今天为大家带来一篇宇宙学文章的介绍,其中很多基础宇宙学与粒子物理的知识我也不是十分熟悉,如果有错误还望各位指出。)

文章:The Case For Dark Radiation

  • 作者:Maria Archidiacono, Erminia Calabrese, and Alessandro Melchiorri
  • 编辑整理:中国科学技术大学 侯磊

背景知识

目前的标准宇宙学模型是ΛCDM模型。在ΛCDM模型中,现在宇宙的成分主要包括以下几种:暗能量、物质(非相对论性粒子,包括暗物质和重子物质)、辐射(相对论性粒子,例如光子和无质量中微子)以及引力波(理论预言,但一直未有直接观测证据)。关于暗物质和暗能量的研究文章俯拾即是,在此不多赘述。本文主要着眼于宇宙中的辐射部分:文章通过对CMB观测的分析,证实了除了目前已知光子和中微子之外还有其他辐射成分存在,此即“暗辐射”。

宇宙中各成分所占比例,上图是现在的宇宙,下图是已经诞生38万年的宇宙。图片来源:wikipedia的“Dark matter”词条

宇宙中的辐射

按照目前的标准观点,由光子和中微子构成的辐射在现在的能量密度可以用下式表示:\rho_{rad}=[1+\frac{7}{8}(\frac{4}{11})^{\frac{4}{3}}N_{eff}]\rho_\gamma。其中\rho_\gamma是光子能量密度,对应温度为2.728K的CMB辐射。N_{eff}是无质量中微子的有效自由度,由于中微子有三种,所以N_{eff}=3。考虑到中微子从原初的光子-重子等离子体中非瞬时退耦的效应(我也不懂非瞬时退耦效应是什么意思,求高手解答),自由度修正为N_{eff}=3.046。注意下一般宇宙学教材中一般提到的是中微子自由度是6,即三种中微子与其反粒子。我的理解是在现在的宇宙中反中微子与中微子早已湮灭而对能量密度没有贡献,所以不考虑反中微子;不知道这种理解是否有误。 但是考虑到光子有两个自旋态,也就是两个自由度,因此\rho_\gamma里面已经相当于包含了2这个因子。所以这里\rm N_{eff}的值是3。

然而,最新的ACT与SPT的CMB观测发现,N_{eff}应该比3明显要大,约为4~5。多出来的这部分未知能量密度,按照以往的命名惯例,就称作“暗辐射(Dark Radiation)”了。然而,这部分能量也可能不是来自于辐射(相对论性粒子)的贡献,比如文章中所提到的几种可能性:轴子(axions)、引力波、非相对论性物质的衰变、附加维度和暗能量。要证明这部分能量确实是辐射,需要确定有效声速c_{eff}和粘滞速度c_{vis}的值c_{eff}^2=c_{vis}^2=1/3

分析和结果

本文利用了下列CMB数据进行COSMOMC分析:WMAP7、ACBAR、ACT和SPT。通过测定暗辐射成分的自由度N_\nu^S=N_{eff}-3.046以及有效声速c_{eff}和粘滞速度c_{vis},论证确实存在暗辐射这种成分。CMB数据分析过程我是个外行,而且作为不是研究CMB的人对分析过程也不必了解的那么细致,因此我在这里略过了。想了解详细分析过程的可以参看原文。这里只给出分析结果:在95%置信水平下,N_{eff}=4.08_{-0.68}^{+0.71}c_{eff}^2=0.312\pm 0.026c_{vis}^2=0.29_{-0.16}^{+0.21}。假设已存在三种标准相对论性中微子,对于附加的暗辐射成分可以得到在95%置信水平下,N_\nu^S=1.10_{-0.72}^{+0.79}c_{eff}^2=0.24_{-0.13}^{+0.08},没有给出对c_{vis}的约束。假设三种中微子成分有质量,则在95%置信水平下,N_\nu^S=1.12_{-0.74}^{+0.86}

本文结论是:确实存在一种未知的“暗辐射”成分。这对于ΛCDM模型是一个新的挑战。文中还对Planck卫星寄予了希望,认为Planck的未来数据可以将N_{eff}的误差缩小到0.2左右。

个人意见

我对这篇文章的结论有一点意见,如果确实存在一种新的宇宙学成分,那么它应该不止在CMB上体现出来,还应该能通过其他理论预言和观测证实。但目前对中微子的观测仍然十分困难,中微子的贡献还有待验证,所以对暗辐射的观测证实或许还很遥远。

延伸阅读

1、对于基础的宇宙学理论不太熟悉的朋友,还是先捧起一本宇宙学教材,把早期宇宙的相关章节阅读一下吧。

2、我对宇宙学中的粒子物理也不熟悉,权且给一个综述。希望有懂行的朋友补充一些更好的综述文章。arXiv:1010.2642

3、粒子暗物质的一个综述。arXiv:hep-ph/0404175

4、一篇最新的关于中微子的arXiv文章,可以参考一下。arXiv:1002.4414

 

 

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6 Replies to “暗辐射:一种新的宇宙学成分?”

  1. 明月稀星

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    “反中微子与中微子早已湮灭而对能量密度没有贡献”
    我觉得好像不太对。反中微子到处会产生的吧,而且中微子反中微子的散射界面那么小,湮灭好像没道理。

    这个式子中的前面的系数已经考虑过了anti-particle了,后面这个数目代入的是generation的数目,中微子目前知道的有三代,所以代入3.

    • 明月稀星

      Chrome 14.0.835.163 Windows 7

      嗯嗯,查了下书,已经考虑了。因为光子有两个spin,所以正好跟neutrinos的约掉了。

      好像后来是要annihilate的,不过LSS的时候大概还没有进行annihilation?我不知道。

      • Lei Hou

        Firefox 4.0 Linux

        恩,你说的对。光子有两个自旋态。所以\rho_\gamma里面已经相当于包含了2这个因子。
        管理员可以帮忙修改下么?

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