摘要
随着现代天文观测精度的不断提高，宇宙学标准图像下不同观测之间的矛盾愈发难以调和，其中最显著的失调为H0失洽以及S8失洽。从宇宙微波背景辐射（CMB）中提取的声学视界、通过近邻距离阶梯校准的Ia型超新星、以及从大尺度结构提取的重子声学振荡（BAO）信号分别锚定了宇宙不同时期的尺度信息，分别拟合上述三个锚点所得宇宙膨胀率并不一致，这就是著名的H0失洽。观测宇宙学的失洽并非仅限于宇宙膨胀率，人们通过不同观测手段所得出的宇宙结构增长速率之间也存在分歧，这种分歧通常由参数S8来描述。 本文聚焦于宇宙中的“暗”组分以探索宇宙学失洽的成因以及解决方案。首先，我们简要描述了宇宙的各个组分以及宇宙学标准模型；之后，分别介绍了宇宙学中主要的观测实验，并由此引出了观测宇宙学的失洽疑难。第4～6章为论文的主体部分，我们分别拓展了暗能量、暗辐射以及暗物质模型以试图缓解H0失洽以及S8失洽。 论文第4章，我们提出了跃迁暗能量模型，该模型描绘了宇宙后期暗能量的状态方程发生快速幽灵跃迁的图景。我们发现对宇宙后期暗能量模型的修改不影响声学视界的大小，这导致该方法无法缓解BAO与近邻距离阶梯之间的失洽。而当我们剔除BAO数据时，跃迁暗能量模型能在2σ范围内缓解CMB辐射、Ia型超新星以及与近邻距离阶梯之间的失洽。 论文第5章，我们分析了通过早期暗能量或暗辐射组分解决H0失洽问题的可行性。增大H0的拟合值需要同时缩小两把标准尺子：声学视界以及物质-辐射相等尺度（keq），然而早期能量组分倾向于增大keq，早期暗辐射组分则相反。当使用上述两把尺子分别测量暗能量与暗辐射模型中的H0时，我们发现在暗辐射模型中不同尺子的测量结果更为一致，这表明在不考虑其它判据的前提下，暗辐射模型更有可能缓解H0失洽。 论文第6章，我们探索了暗物质与光子之间存在相互作用的模型。通过拟合观测数据我们发现，引入暗物质与光子的相互作用是缓解S8失洽的有力途径之一。在该模型中，我们引入了暗物质粒子的质量参数mχ，并通过拟合Planck数据，确定了当暗物质与光子存在相互作用时暗物质粒子质量的下限：mχ≥8.7keV。
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