相互作用暗能量若干问题的研究

暗能量问题是21世纪基础科学所面临的最大挑战之一。暗能量的起源和本性与量子引力理论有着深刻联系，因此暗能量的理论研究将对自下而上地建立一个完整的量子引力理论提供重要线索。暗能量与暗物质之间可能存在某种非引力的耦合，这种可能性对于理解一些重要的暗能量理论问题起到了关键作用。本项目的研究将围绕暗能量与暗物质相互作用的模型展开,具体研究内容包括：耦合常数的参数化与重构，暗能量状态方程的新型参数化及与相互作用的关联，变质量冷暗物质粒子的参数空间，幂律型耦合精质模型的观测检验，暗能量相互作用对宇宙微波背景及大尺度结构的影响，衰变真空能的宇宙学扰动，相互作用全息暗能量的宇宙学扰动，以及相互作用暗能量模型的其他理论问题等。在本项目的研究中我们将一方面从观测数据出发利用整体拟合的方法对理论模型进行参数限制，另一方面对相互作用暗能量进行深入的理论分析，尝试为深刻理解暗能量的量子引力本性提供有益的线索。

本项目完全按照计划对相互作用暗能量及其相关问题进行了系统研究，并取得了一系列研究成果。研究计划的要点是相互作用暗能量模型以及标准宇宙学模型的扩展与检验。当前的宇宙学观测越来越支持一个只有六个参数的基本ΛCDM模型，但是该结果与一系列其他天体物理测量结果之间存在一些矛盾，比如弱引力透镜、星系团计数等。而且，从理论的角度上来说，ΛCDM模型也存在严重困难，比如“精细调节”问题和“宇宙巧合”问题等。因此，我们需要对ΛCDM模型进行严格的观测检验。我们的策略是，考虑ΛCDM模型的可能的扩展模型，并利用观测数据从各个方面检验扩展模型，从而与基本ΛCDM模型进行对比。相互作用暗能量模型是一种重要的可能性，但是它一直面临着很严重的问题，也就是其宇宙学扰动发散的困难。解决相互作用暗能量扰动发散困难是本项目的最核心问题。我们在这个问题上取得了重要的进展，建立起了相互作用暗能量的“参数化的后弗里德曼”(PPF)理论框架，成功解决了相互作用暗能量扰动发散的问题，推动了该领域的发展。进而，该PPF理论框架也被进一步应用到了衰变真空能的研究中。该模型是ΛCDM模型的单参数扩展，研究该模型对于检验ΛCDM宇宙学具有重要意义。通常对衰变真空能模型的研究需要忽略真空能的扰动，但我们利用PPF方法可以自洽地考虑系统的宇宙学扰动。我们发现，当前的宇宙学观测与零耦合模型是一致的。为了解释ΛCDM模型与一些天体物理观测结果的不一致，我们重点考察了含有惰性中微子的宇宙学模型，发现轻质量惰性中微子的效应可以缓解这些观测上的不一致。围绕中微子质量的宇宙学效应，我们也开展了一系列研究。我们完全按照既定研究计划对本项目进行执行，在对上述问题的研究中取得一系列成果，在国际高水平SCI刊物上发表研究论文37篇，被国内外同行学者大量引用。