[论文解读] Dark Matter and Structure Formation in the Universe

Joel R. Primack|ArXiv.org|Jul 25, 1997

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 13被引用 16

一句话总结

本文在膨胀宇宙中引力坍缩的框架下，综述了暗物质在宇宙大尺度结构形成中的作用，重点讨论了冷暗物质（CDM）和混合CDM+热暗物质（CHDM）模型。若哈勃参数较高，则偏好ΛCDM模型；若宇宙为临界密度，则偏好CHDM模型。两类模型均受到宇宙学参数、宇宙微波背景（CMB）数据及星系形成观测的约束。

ABSTRACT

This chapter aims to present an introduction to current research on the nature of the cosmological dark matter and the origin of galaxies and large scale structure within the standard theoretical framework: gravitational collapse of fluctuations as the origin of structure in the expanding universe. General relativistic cosmology is summarized, and the data on the basic cosmological parameters ($t_o$ and $H_0 \equiv 100 h \kmsmpc$, $Ω_0$, $Ω_Λ$ and $Ω_b$) are reviewed. Various particle physics candidates for hot, warm, and cold dark matter are briefly reviewed, together with current constraints and experiments that could detect or eliminate them. Also included is a very brief summary of the theory of cosmic defects, and a somewhat more extended exposition of the idea of cosmological inflation with a summary of some current models of inflation. The remainder is a discussion of observational constraints on cosmological model building, emphasizing models in which most of the dark matter is cold and the primordial fluctuations are the sort predicted by inflation. It is argued that the simplest models that have a hope of working are Cold Dark Matter with a cosmological constant ($Λ$CDM) if the Hubble parameter is high ($h \gsim 0.7$), and Cold + Hot Dark Matter (CHDM) if the Hubble parameter and age permit an $Ω=1$ cosmology, as seems plausible in light of the data from the Hipparcos astrometric satellite. The most attractive variants of these models and the critical tests for each are discussed.

研究动机与目标

• 评估冷暗物质（CDM）和混合CDM+热暗物质（CHDM）模型在解释大尺度结构形成方面的可行性。
• 利用依巴基斯卫星、星系团形态及原初核合成的观测数据，评估宇宙学参数（特别是H₀、Ω₀、Ω_Λ和Ω_b）的约束。
• 将ΛCDM与CHDM模型的预测能力与CMB各向异性数据、星系分布及高红移结构形成进行比较。
• 探讨宇宙暴胀与拓扑缺陷对原初涨落起源的影响。
• 基于当前观测约束与未来数据前景，识别最具前景的模型（ΛCDM vs. CHDM）。

提出的方法

• 使用弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克（FRW）宇宙学模型描述膨胀宇宙，并推导H₀、Ω₀和Ω_Λ的约束。
• 应用广义相对论宇宙学解释宇宙年龄、膨胀速率及宇宙学常数（Λ）在平坦性与结构形成中的作用。
• 综述热、温、冷暗物质的粒子物理候选者（如轴子、WIMPs及重中微子），评估其可探测性与约束条件。
• 分析暴胀模型作为原初密度涨落的主导解释，与拓扑缺陷情景进行对比。
• 采用数值模拟探测小尺度结构形成，并检验CDM与CHDM模型的预测。
• 将模型预测与观测数据进行比较：COBE CMB各向异性、星系旋转曲线、星系团重子物质分数及高红移结构形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 在解释观测到的宇宙微波背景各向异性和大尺度结构方面，ΛCDM与CHDM哪个暗物质模型更优？
• RQ2 依巴基斯卫星与星系团形态的约束如何影响哈勃参数与Ω₀的优选值？
• RQ3 含两个或三个中微子种类的CHDM模型是否能比纯CDM更好地拟合CMB数据与小尺度结构观测？
• RQ4 非零宇宙学常数（Λ）对宇宙年龄与演化的影响，特别是与恒星年龄的关系如何？
• RQ5 当前CDM与CHDM模型的模拟在多大程度上能再现观测到的星系旋转曲线与空洞-丝状结构形态？

主要发现

• 若哈勃参数h ≥ 0.7，则ΛCDM是首选模型，因其可避免低Ω₀宇宙比其最古老恒星更年轻的年龄问题。
• 含两个中微子种类（N_ν = 2）的CHDM模型在拟合COBE CMB数据、星系团丰度及小尺度结构方面优于仅含一个中微子种类的模型。
• 纯CDM模型（sCDM）在理论上优雅，但与数据不一致，尤其在小尺度上的观测功率谱与宇宙年龄方面。
• 含N_ν = 2的CHDM模型目前实验数据对中微子质量的约束下更受青睐，但其再现高红移结构的能力仍不确定。
• ΛCDM与CHDM均需精细调节或引入额外物理机制（如尺度依赖的反偏置）以调和小尺度功率与观测结果。
• 即将开展的MAP与COBRAS/SAMBA任务有望提供CMB各向异性的决定性数据，或在数年内解决Ω₀与Ω_Λ的争议。