在宇宙学的研究中, 标量场模型常被用来描述宇宙早期的暴胀和晚期的加速膨胀。一般来说, 不同的模型给出的理论预言是不同的。然而最近的研究发现, 很多完全不同的标量场宇宙学模型可以具有相同标量场、尺度因子和能量密度解, 只有在考虑场的扰动时才能对模型进行区分。具有这种相似性质的一类模型被称为双胞胎模型。之前关于宇宙学双胞胎模型的研究认为, 在空间曲率不为零的情况下不可能存在宇宙学双胞胎模型。而最近的一项研究成功地建立起了空间曲率与标量场个数均任意的宇宙学双胞胎模型。

该研究成果发表于近期出版的SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy 2018年第61卷第9期, 论文标题为“Cosmological twinlike models with multi scalar fields”, 由西安交通大学的钟渊讲师、付春娥副教授与兰州大学的刘玉孝教授合作完成。研究者通过采用新的一阶方法, 成功构造了多标量场和空间曲率任意的宇宙学双胞胎模型。

自2010年宾夕法尼亚大学的研究人员首次在四维闵氏时空情况下发现某些非正则标量场在一定条件下可以成为正则标量场的双胞胎模型后, 已有很多工作成功构造了诸如厚膜(thick brane)和仅含单标量场且空间曲率为零的宇宙学双胞胎模型。由于之前的研究者在构造宇宙学双胞胎模型的过程中使用了不恰当的一阶方法, 因此没能得到空间曲率非零情况下的宇宙学双胞胎模型, 此外也没考虑多标量场情况。

这一研究结果推进了宇宙学双胞胎模型的研究。由于双胞胎模型具有相同的背景解和不同的线性扰动谱, 因此利用双胞胎模型可以构造与观测符合的更好的宇宙学模型: 设想目前已得到一个背景解与观测符合很好的正则标量场宇宙学模型(可以是暴胀或暗能量模型), 但其线性扰动谱与观测数据存在偏离, 则可以构造与之相应的非正则标量场(原则上可以有无穷多种)双胞胎模型, 使其线性扰动谱与观测数据符合较好而不影响背景解。综上, 本研究肯定了多场和空间曲率非零的情况下构造宇宙学双胞胎模型的可能性, 为今后构造新的宇宙学模型提供了参考。

Y. Zhong, C. E Fu, and Y. X. Liu, Cosmological twinlike models with multi scalar fields, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 61, 090411 (2018)

http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11433-018-9194-7

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