[论文解读] Crisis in Cosmology : Observational Constraints on Omega and H_0

J. S. Bagla, Τ. Padmanabhan+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 1995

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用 26

一句话总结

本文结合原初核合成、高红移天体（DLAs）和星系团丰度的观测约束，对宇宙学参数 Ω₀ 和 H₀ 进行了严格限制。结果表明，不含宇宙学常数的标准大爆炸模型在事实上已被排除，仅留下极小的可行参数空间，凸显了由于微调需求带来的宇宙学基础性危机。

ABSTRACT

Thanks to new technology of observations and fresh inputs from particle physics, cosmology has advanced on both observational and theoretical fronts. It is therefore opportune that we take stock of the cosmological situation today and examine the observational and theoretical constraints as they are now. The bottom line in this review is that despite the availability of the cosmological constant as an extra parameter for flat Friedmann models, the allowed parameter space for such models is very small. The observations that we consider here include the ages of globular clusters, measurement of Hubble's constant, abundance of rich clusters of galaxies, fraction of mass contributed by baryons in rich clusters and abundance of high redshift objects.

研究动机与目标

• 利用多种独立的观测约束，评估标准大爆炸宇宙学模型的可行性。
• 通过结合原初核合成、高红移天体（DLAs）和星系团丰度的约束，确定 Ω₀ 和 H₀ 的允许参数空间。
• 评估观测不确定性对参数空间中宇宙学模型生存能力的影响。
• 检验包含宇宙学常数或倾斜功率谱的模型是否能缓解这些约束。
• 在当前观测数据背景下，探讨'平坦性问题'与微调需求的含义。

提出的方法

• 利用原初核合成观测得到的重子-光子比，将 ΩB h² 限制在 0.017 至 0.02 的范围内。
• 将 ΩB h² 与星系团中重子分数的观测估计值结合，推导出对 Ω₀ 的限制，同时考虑测量不确定性。
• 利用高红移消光Lyman-alpha系统（DLAs）的丰度约束，对 z ≈ 2 处的密度扰动设置下限。
• 使用 Press-Schechter 形式化计算质量约为 10¹² M⊙ 的坍缩天体的预期数量，并与观测到的 DLA 计数进行比较。
• 利用球状星团的年龄约束（≤12 Gyr）推导出宇宙年龄的上限，从而进一步限制 Ω₀ 和 H₀。
• 将所有约束整合进统一的参数空间（Ω₀, H₀），标示出允许区域，并评估在更严格的观测不确定性下模型的生存能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 当结合原初核合成、高红移 DLA 丰度和星系团质量函数的约束时，Ω₀ 和 H₀ 的允许范围是什么？
• RQ2 ΩB h² 和星系团中重子分数的观测不确定性如何影响允许参数空间的大小？
• RQ3 球状星团的年龄约束（≤12 Gyr）在多大程度上限制了可行的宇宙学模型？
• RQ4 包含宇宙学常数的模型能否经受住这些约束？与开模型或平坦模型相比表现如何？
• RQ5 假设原初功率谱为倾斜谱（n ≠ 1）对允许参数空间有何影响？

主要发现

• 原初核合成与星系团重子分数的约束共同将 (Ω₀, H₀) 参数空间中的允许区域限制在图 2 中某条曲线的左侧。
• 若降低 ΩB / Ω0 的观测不确定性，或收紧 ΩB h² 的上限，可排除在仅考虑星系团丰度约束后仍存活区域的一半。
• 高红移 DLA 丰度的约束对宇宙年龄提供了强有力的上限，尤其在 H₀ 值较低时效果显著，进一步缩小了允许的参数空间。
• 若球状星团的年龄超过 18 Gyr，则参数空间中的允许区域几乎被完全排除，表明与当前模型存在强烈矛盾。
• 综合所有约束——核合成、DLA 丰度、星系团丰度和年龄——在图 3 中仅标示出极小的允许区域，交叉阴影区域代表一种较不保守的解释。
• 当前观测已基本排除不含宇宙学常数的标准大爆炸模型，甚至 ΩΛ = 0 的模型也因微调需求而被排除，凸显了宇宙学中的深层危机。