[论文解读] Flat FRW Cosmologies with Adiabatic Matter Creation: Kinematic tests

J. A. S. Lima, J. S. Alcaniz|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 1999

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用 48

一句话总结

本文研究了具有绝热物质生成的平坦弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克（FRW）宇宙学模型，作为标准大爆炸模型的替代方案。通过引入由参数β参数化的物质生成压强项来修改能量-动量张量，该模型改变了视星等距离、角直径距离和星系数目计数等运动学观测量。主要结果表明，当β > 0时，可实现负的减速参数（q₀ < 0）和更老的宇宙年龄，从而调和了高红移星系与Ia型超新星观测结果与平坦几何结构之间的矛盾。

ABSTRACT

Some observational consequences of a cosmological scenario driven by adiabatic matter creation are investigated. Exact expressions for the lookback time, age of the universe, luminosity distance, angular diameter, and galaxy number counts redshift relations are derived and their meaning discussed in detail. The expressions of the conventional FRW models are significantly modified and provide a powerful method to limit the parameters of the models.

研究动机与目标

• 为解决标准FRW宇宙学中的'年龄问题'，即宇宙年龄似乎比最古老观测恒星更短的问题。
• 探究绝热物质生成是否能缓解高红移星系年龄与标准模型预测之间的张力。
• 推导物质生成模型中关键运动学观测量（视星等距离、角直径距离、数目计数）的精确表达式。
• 利用来自视星等距离、角大小和星系数目计数的红移关系观测数据，约束物质生成参数β。
• 证明负的减速参数（q₀ < 0）在平坦物质生成模型中是可能的，这与Ia型超新星观测结果一致。

提出的方法

• 基于粒子数密度平衡方程与爱因斯坦场方程的理论框架，引入依赖于物质生成速率的物质生成压强项。
• 绝热物质生成被建模为每粒子的比熵保持恒定，从而在光子中保持平衡关系（n ∝ T³，ρ ∝ T⁴）。
• 精确解析求解了回溯时间、宇宙年龄、视星等距离、角直径距离和星系数数作为红移z和β的函数。
• 参数β量化了物质生成速率，β = 0对应于无物质生成的标准FRW模型。
• 利用观测数据应用运动学检验：来自超新星的视星等距离、来自射电源的角大小，以及来自深空巡天的数目计数。
• 通过将理论预测与观测数据进行比较，采用χ²类方法比较模型曲线与观测数据点及其误差棒，推导出对β的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有绝热物质生成的平坦FRW模型能否产生足够老的宇宙，以调和最古老球状星团和高红移星系的年龄？
• RQ2 在物质生成模型中，运动学观测量——视星等距离、角直径距离和星系数数——是否表现出与标准FRW模型不同的红移依赖性？
• RQ3 物质生成机制是否能自然产生负的减速参数（q₀ < 0），与Ia型超新星观测结果一致？
• RQ4 物质生成参数β如何影响宇宙年龄和宇宙距离的演化？
• RQ5 角大小和数目计数的观测数据在多大程度上能约束物质生成宇宙学中的β值？

主要发现

• 在平坦物质生成模型中，宇宙年龄始终大于标准FRW模型（β = 0）中的年龄，当β > 0时可解决年龄问题。
• 当β > 0时，减速参数q₀可为负，与Ia型超新星观测结果所指示的宇宙加速一致。
• 角直径距离-红移曲线表现出一个最小值，且随着β增大，该最小值向更高红移移动，缓解了与高红移星系和类星体数据的矛盾。
• 视星等距离数据约束β ≤ 0.48，角大小数据约束0.20 ≤ β ≤ 0.84，数目计数数据约束β ≤ 0.36。
• 当β = 1/3时，该模型重现了K物质情景下先前获得的结果，表明与先前现象学模型的一致性。
• 当前物质生成速率为ψ₀ ≈ 10⁻¹⁶ 核子 cm⁻³ yr⁻¹，与稳恒态宇宙模型预测值相当，目前尚无法探测。