广义暗物质模型的全面研究

冷暗物质(CDM)模型将暗物质视为无压理想流体，能够很好地拟合星系和宇宙学数据。随着精密宇宙学的到来，应该问这个最简单的模型是否需要扩展，以及这样做是否能加深我们对暗物质性质的理解。一个经典的参数化方法是将CDM流体推广为广义暗物质(GDM)模型，其中暗物质是一种不完美流体，具有压力和剪切黏度，满足某些封闭方程。我们研究了这些封闭方程以及它们包含的三个新参数函数：背景状态方程 $w$、声速 $c_s^2$ 和黏度 $c_{\text{vis}}^2$。将这些函数视为常数参数，我们分析了GDM主导宇宙中扰动爱因斯坦方程的精确解，并讨论了三个参数对宇宙微波背景(CMB)的主要影响。我们的分析表明，仅凭CMB无法区分GDM声速和黏度参数，但需要其他可观测量，如物质功率谱，来打破这种简并。我们还考虑了具有非微扰定义的其他不完美流体描述，并将这些与GDM模型联系起来。特别是，我们考虑了标量场、流体的有效场论(EFT)、大尺度结构的EFT、非平衡热力学和强耦合流体。这些描述可以将GDM模型扩展到结构形成的非线性区域，这是必要的，如果要在这些尺度上利用大量数据来约束该模型。我们还推导了绝热扰动和等曲率扰动的初始条件，并以适合在爱因斯坦-玻尔兹曼求解器中实现的形式给出了结果。