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Sandbox Physics
从宇宙膨胀走到天空推断

L2 · 第 4 章

三维声波怎样变成天空的角谱

同一条角功率谱,合并了初始起伏、流体演化和沿视线的投影。不同参数若在这些环节中相互补偿,就可能留下很接近的峰。转移函数把每个环节接起来,也告诉我们该用哪些观测打破补偿。

先说清谱的单位

原初曲率扰动记为 R\mathcal R。其无量纲功率 PR(k)\mathcal P_{\mathcal R}(k) 表示每单位对数波数的方差贡献。温度相对起伏 Θ=δT/T0\Theta=\delta T/T_0 的角谱 CℓΘΘC_\ell^{\Theta\Theta} 也是无量纲。只有乘回平均温度的平方,才得到温度平方单位。

温度谱常画成 DℓD_\ell,再把温度改用微开尔文。这个重标度把每个对数角尺度附近的功率放到较直观的高度。读公开文件时,先确认它给的是角功率还是重标度后的谱,也要确认温度单位。

DℓTT=ℓ(ℓ+1)2π T02CℓΘΘD_\ell^{TT}=\frac{\ell(\ell+1)}{2\pi}\,T_0^2 C_\ell^{\Theta\Theta}
若平均温度用微开尔文,右侧单位就是微开尔文平方。CAMB 网格保存的是这个温度谱。

转移函数把一个初始模式送到观测者

给定一个初始波数,转移函数 ΔℓT(k)\Delta_\ell^T(k) 计算它最终在天空的某个多极上留下多少温度信号。它包括引力驱动、光子与重子运动、复合和传播。视线积分中的球 Bessel 函数负责把三维波形投成球面图案。

在平直背景、光速为一的共形坐标中,源函数 STS_T 收集各时刻对温度的贡献。不同初始波数的功率再按转移函数平方相加,就得到理论角谱。这个过程已经对随机初始相位求了平均;它还不是我们恰好拥有的那一片天空。

下面的转移积分给出线性的未透镜温度谱。光经过后来的结构时,引力还会偏折方向,混合不同角尺度并抹平声学峰。CAMB 在未透镜谱之后另算这层重映射,网格保存的是有透镜平滑的温度谱。

ΔℓT(k)=∫0η0dη ST(k,η)jℓ[k(η0−η)]\Delta_\ell^T(k)=\int_0^{\eta_0}d\eta\,S_T(k,\eta)j_\ell[k(\eta_0-\eta)]
源函数采用与转移函数一致的归一化;末次散射并非无限薄,晚期引力红移也贡献源项。
CℓΘΘ=4π∫dln⁡k  PR(k) ∣ΔℓT(k)∣2C_\ell^{\Theta\Theta}=4\pi\int d\ln k\;\mathcal P_{\mathcal R}(k)\,|\Delta_\ell^T(k)|^2
这是标量初始曲率扰动、统计各向同性条件下的温度角谱表达式。偏振与交叉谱需要相应的转移函数。

对应阅读:David Tong · CAMB source and documentation

距离变化能把峰列移到相近的位置

提高 Hubble 常数,同时改变常状态方程暗能量参数 ww,可能让到末次散射的距离近似保持。若早期物理密度固定,声视界也变化较小,峰的角位置就接近。我们把这种不同参数给出相似预测的情况叫参数退化。

补偿只对部分观测有效。晚期势演化改变大角尺度温度,结构增长改变透镜,偏振和其他距离也提供不同方向的信息。比较两条温度峰列时,要看相对差异随多极如何变化,而不能只盯住第一峰。

固定空间平直、冷暗物质物理密度与其他初始参数,是这个实验的条件。若允许曲率、额外辐射或原初谱同时自由,退化方向会改变。声学峰给出很精确的角尺度,换成晚期成分时仍要带上这些条件。

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

算一对角尺度接近的背景

固定重子物理密度 ωb=0.0224\omega_b=0.0224 及其他网格设置。参考背景取 H0=67.4  km s−1 Mpc−1H_0=67.4\;\mathrm{km\,s^{-1}\,Mpc^{-1}}、w=−1w=-1;对照取 H0=73.5  km s−1 Mpc−1H_0=73.5\;\mathrm{km\,s^{-1}\,Mpc^{-1}}、w=−1.2w=-1.2。第二组膨胀参数相当不同,末次散射声视界与横向距离之比却接近。

冻结网格给出的声学角尺度相差约百分之零点零零七二四,两条采样谱的第一峰都落在多极二百二十二。它们的宇宙年龄仍不同,约为 13.79  Gyr13.79\;\mathrm{Gyr} 与 13.69  Gyr13.69\;\mathrm{Gyr}。相近的峰位置因此能容纳不同晚期膨胀史。

多极高于一百时,两谱的最大相对差约为百分之零点三五五,比下节测到的最大插值差还小。这个网格足以看出峰列近乎重合,却不足以把微小残差当成精密参数区分的证据。

实际计算与近似误差各占哪一层

交互实验冻结 CAMB 1.6.6 的七十五个节点。重子物理密度有三档,Hubble 常数与常状态方程参数各有五档;采用平直背景和 PPF 暗能量处理,其他设置写入生成脚本。浏览器在网格内插值有透镜的标量温度谱;它不向网格外外推。

六个内部留出点另用更高精度计算。多极不低于三十的检查中,逐点最大相对差约百分之零点八零四,最大均方根相对差约百分之零点三五五。这六个检查点不能给出整个区域的统一误差上界;数字衡量网格插值和数值设置的联合差异。

完整算例可以从一个网格节点开始:先复算该节点,确认读出的谱与保存值一致;再选相邻节点中点,与留出的高精度计算比较。前一步检查读取,后一步检验近似。若想用这种网格做精密似然,必须把插值误差与所需数据精度比较,必要时加密网格。

对应阅读:CAMB source and documentation

动手检验预测

找一对峰位置相近的宇宙

  1. 固定重子密度,先单独改变 Hubble 常数,记下峰列的移动方向。
  2. 同时改变暗能量状态方程,寻找角尺度接近参考的预设。
  3. 比较整个谱的差异,说明哪些特征仍可区分这两组参数。

练习与解释性答案

  1. 两条曲线第一峰相同,为什么还可能来自不同宇宙成分?

    展开解释

    第一峰给出的主要是一个长度比,还受相位和投影影响。峰高、后续峰、阻尼与透镜各保留额外信息,能把第一峰上的补偿拆开。

  2. 把谱的纵轴从角功率换成重标度温度谱,能产生新的物理峰吗?

    展开解释

    这个变换只按已知多极权重重新显示同一组信息,会改变曲线极值的精确位置与视觉强调;它没有增加新的观测或声学模式。

来源与计算范围

  1. David Tong, Cosmology, Chapter 3

    结构形成一章给出线性增长、压强支撑、转移函数与微波天空。本文无压增长的算例限于物质主导期、Hubble 尺度以内。

  2. CAMB source and documentation

    声学网格脚本固定 CAMB 1.6.6,保存宇宙学设置,并在网格外节点检查插值。浏览器读取固定网格,不现场求解 Boltzmann 层级。

  3. 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。

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