中國天文學家混合型非參數化方法對暗能量狀態方程重構研究取得進展


1998年,天體物理學家亞當·利斯(Adam Riess)等人使用Ia型超新星發現了宇宙加速膨脹,這是自1929年哈勃發現宇宙膨脹以來的宇宙學里程碑事件。科學家進一步提出具有斥力性質的暗能量,來解釋宇宙加速膨脹。暗能量研究分兩種:一是限制暗能量物理模型;二是模型無關測定暗能量性質,即重構暗能量狀態方程(壓強/密度)。雖然暗能量的本質還不清楚,但是暗能量性質是通往其本質的重要環節,也是當前宇宙學研究熱點。暗能量性質是否會隨時間發生演化,可以通過重構暗能量狀態方程估計得到。

重構暗能量狀態方程包括參數化和非參數化兩類方法。此前的參數化方法有很多局限,所以造成了對重構結果的人為偏袒,不利於找到明顯優於標準宇宙學模型(Λ-冷暗物質模型 Lambda-Cold Dark Matter Model,簡稱 ΛCDM)的宇宙模型。近期,新疆天文台星系宇宙學團組科研人員提出了一種新的混合型非參數化方法來重構暗能量狀態方程。研究者利用拉格朗日插值數值積分來線性化光度距離積分公式,接著在嶺回歸分析的基礎上,結合主成分分析和高斯過程形成了新的混合型統計方法。通過模擬數據統計分析,獲得暗能量狀態方程w(z)隨紅移的變化(上圖),證明了該方法的有效性。最後,研究人員將混合型新非參數化方法應用到最新的Ia型超新星數據JLA(Joint Light-Curve)樣本中,進行暗能量重構研究,發現單獨使用Ia型超新星數據時,重構出來的暗能量狀態方程沒有明顯偏離Λ-冷暗物質模型。

新疆天文台星系宇宙學團組博士研究生黃龍與其導師楊曉峰研究員、劉祥研究員及國際同行學者發現偏離Λ-冷暗物質模型的跡象,研究人員下一步會結合其它觀測數據來測定暗能量狀態方程。同時,也期待未來中國太空站巡天望遠鏡和歐洲歐幾里得太空望遠鏡(Euclid Space Telescope)等巡天數據釋放出更大的Ia型超新星數據樣本,可以通過應用混合型非參數化方法大幅提高統計精度。

【圖、文:節錄自中國科學院新疆天文台2021年6月8日新聞公佈;新聞資訊由林景明提供】研究全文刊登在2021年5月21日出版的《天體物理學報》

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