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Sandbox Physics
从宇宙膨胀走到天空推断

L4 · 第 8 章

从天空图案推断暗成分,需要哪些条件

微波天空没有直接标出暗物质和暗能量的百分比。它留下峰的位置、高度和透镜等信号;物理模型把这些信号换算成成分。不同观测切开不同的参数补偿,联合起来才更容易辨认是哪种宇宙。

重子、冷暗物质与暗能量留下不同痕迹

重子加入声学流体的惯性,改变压缩与稀疏的相对峰高。冷暗物质形成引力势井,改变物质与辐射密度相等的时刻,又参与后来的结构增长。暗能量在晚期显著改变膨胀,从而改变到末次散射的距离,也影响势的演化与透镜。几条影响路径交叉,足以产生相似预测。

物理密度 ωb=Ωbh2\omega_b=\Omega_bh^2 与密度比例 Ωb\Omega_b 也不能混用。前者决定同一红移下单位物理体积里的重子密度;后者还用今天的临界密度作分母。当 Hubble 常数变化时,两者的换算会变化。固定物理密度来探索几何,与固定密度比例来探索几何,是不同实验。其中 h=H0/(100  km s−1 Mpc−1)h=H_0/(100\;\mathrm{km\,s^{-1}\,Mpc^{-1}}) 是无量纲的 Hubble 常数。

对应阅读:Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters

把一个精确角度换成 Hubble 常数

Planck 2018 论文第 3.1 节说明声学角尺度的精确测量。其摘要给出 100θ∗=1.0411±0.0003100\theta_*=1.0411\pm0.0003。同一篇论文结合温度、偏振与透镜重建,在平直六参数宇宙学常数加冷暗物质模型下,推断 H0=(67.4±0.5)  km s−1 Mpc−1H_0=(67.4\pm0.5)\;\mathrm{km\,s^{-1}\,Mpc^{-1}}。这里引用的是百分之六十八区间。前者测一个角度,后者借助模型,把早期尺子和晚期距离联系起来。

声学张角的测量很稳,并不保证允许任意扩展后 Hubble 常数仍同样精确。放开曲率或暗能量状态方程,会出现额外的距离补偿。星系分布中的重子声学振荡,简称 BAO,留下了另一把声学尺。它测不同红移的径向与横向距离组合,超新星则给出相对光度距离。它们从别的方向限制这些补偿。

BAO 所用声视界 rdr_d 截止于重子摆脱光子拖曳的时期;微波声学角尺度用的 rs(z∗)r_s(z_*) 截止于末次散射。两个时期接近,数值仍有差别。二者都依赖早期物理,联合分析时必须分别计算。

本课程的超新星样本没有绝对亮度标定,不能独立提供 Hubble 常数。将它与声学网格并排,有助于理解信息方向;完整联合推断还要统一参数、选择函数与相关误差。

对应阅读:Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters · Pantheon+ public data release

额外早期辐射会同时动几把尺子

允许有效相对论粒子数 NeffN_{\rm eff} 改变,会改变早期膨胀速率。更快膨胀通常缩短声音走过的时间,从而缩短声视界。但阻尼尺度、自由传播粒子引起的相位移动和核合成也会改变;只把整条峰列横向缩放,漏掉了可以检验这个扩展的信息。

Planck 论文图 35 把有效相对论粒子数与 Hubble 常数放在两个轴上。沿着彩色样本带,较多早期辐射可配合较快晚期膨胀,保持声学张角。黑色实线另加入透镜重建与 BAO,因此也改变了所用数据。读图时先跟踪数据组合,才能知道一条变窄的轮廓来自哪里。

读 Planck 论文第 7.5.2 节时,应先记下用了哪些温度、偏振、透镜与 BAO 数据,再看氦丰度和中微子质量是否固定。不同表格若采用不同条件,区间变化就未必来自新增数据本身。这里提供的是读模型的办法;声学实验只改变其网格明确列出的三个参数,辐射含量保持固定。

对应阅读:Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters

透镜振幅怎样帮助检查模型

上一章的 AκA_\kappa 只乘固定会聚功率模板。它能检查公开带功率相对这个模板是否偏高,也能演示先验宽度如何改变证据。改变真实暗物质密度,会同时改变距离、结构增长、谱形和重建响应;一个整体振幅不能替代这些变化。

Planck 论文第 6.2 节的 ALA_{\rm L} 又是另一种现象学参数:它调整计算温度与偏振峰平滑时使用的透镜强度。透镜重建利用更高阶相关来估计透镜场。这两条测量路径可以互相检查,但参数定义与所用信息不同。

一次复算可以从公开带功率开始:固定版本、模板、分箱和协方差,计算高斯振幅切片;然后明确下一步还缺哪些宇宙学响应和外部数据。这样就能把振幅切片的问题,接到完整物理模型需要回答的问题上。

对应阅读:Qu et al. · NASA LAMBDA · Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters

完整算例:怎样读两个不一致的估计

设两个教学观测独立、Gaussian,测同一量分别得到 67±167\pm1 与 73±173\pm1,单位相同。差值的方差是两个方差之和,差六个单位对应约 4.244.24 个差值标准差。这里的数字是算例,不对应某两项指定宇宙观测。

若两项观测共享标定,差值方差还要减去两倍协方差;若其中一个估计依赖某个宇宙学模型,换模型后估计与误差都可能改变。先验截断和非 Gaussian 尾部也会改变简单标准差比较。

一个扩展能降低最佳拟合残差,说明它增加了拟合自由度。要判断数据是否支持这份自由度,还要看独立预测、拟合改善出现在什么数据上,以及对先验范围是否稳定。一项新成分若能解释张力,还应给出原有观测之外、能够独立检验的预测。

Z=∣q^1−q^2∣σ12+σ22−2Cov⁡(q^1,q^2)Z=\frac{|\hat q_1-\hat q_2|}{\sqrt{\sigma_1^2+\sigma_2^2-2\operatorname{Cov}(\hat q_1,\hat q_2)}}
这个比较要求两项估计针对同一参数、采用适当的联合抽样近似。独立 Gaussian 情况的协方差为零。

动手检验预测

先验改变的是估计还是模型偏好

  1. 保持公开观测与固定模板不变,比较默认和宽先验。
  2. 记下后验均值、区间与证据比,解释哪些变化来自先验体积。
  3. 启用额外响应不确定度,说明这项教学假设如何改变振幅信息,而不是把它直接解释成暗能量变化。

把几何补偿写成一个可检验问题

  1. 选峰位接近的两组参数,先写下哪些参数保持固定。
  2. 比较声学尺度与完整谱的差异,并查阅网格插值精度。
  3. 选择一种独立观测,例如距离或透镜,说明它为什么可能区分两组模型。

练习与解释性答案

  1. 一个自由透镜振幅略高于一,是否就说明暗物质更多?

    展开解释

    它首先说明带功率相对所选模板偏高。物质密度、原初振幅、增长史、距离与重建响应都会影响真实透镜预测;必须在相应物理模型里联合计算,才可解释成密度变化。

  2. 为什么比较扩展模型时,应同时保存似然、先验和数据组合?

    展开解释

    似然说明数据如何限制参数,先验定义可取范围及模型平均的权重,数据组合决定哪些信息进入结论。只保留最佳拟合点,无法复算后验区间或证据,也无法知道补偿由哪组观测打破。

来源与计算范围

  1. Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters, arXiv:1807.06209v4 (2021)

    第 2.2—2.3 节说明数据似然,第 3.1 节解释声学尺度;第 6.2 节与第 7.3—7.5 节分别讨论透镜平滑、曲率、暗能量和相对论粒子。论文发表于 A&A 641, A6(2020),这里固定带勘误的 v4。本课程不复现完整 Planck 似然或参数链。

  2. Qu et al., The Atacama Cosmology Telescope: A Measurement of the DR6 CMB Lensing Power Spectrum and Its Implications for Structure Growth, arXiv:2304.05202v3

    第 VIII.2 节与图 25 讨论固定模板的透镜振幅;第 IX.1 节式 (45) 给出高斯带功率似然。实验取公开带功率与协方差计算固定模板振幅切片,模板与省略项在模型文档中逐项说明。

  3. NASA LAMBDA, ACT DR6 lensing likelihood data

    冻结的 ACT DR6 公开透镜产品。数据清单记录版本、原文件名、分箱、模板、协方差、校验值与引用要求。实验额外加入的定标不确定度是明确选择的教学扩展。

  4. Pantheon+ public data release

    已有距离实验采用四十颗 Pantheon+ 超新星及相应统计与系统误差协方差子矩阵。自由亮度零点吸收绝对距离标定,这组数据不测量 Hubble 常数。

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