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Cosmology & Astrophysics

宇宙學研究與數值模擬

師大物理碩士論文「基於 Planck 與 DESI 數據對動態暗能量模型的觀測約束」(Observational Constraints on Dynamical Dark Energy Models Based on Planck and DESI Data);2026 年 6 月起於中研院物理所(ASIOP)王子敬老師實驗室擔任研究助理,持續進行動態暗能量模型與 Planck 2018 / DESI 天文觀測數據擬合研究。

核心課題一

動態暗能量狀態方程式 (Dynamical Dark Energy)

傳統 Lambda-CDM (ΛCDM) 宇宙學模型假設暗能量為宇宙學常數(w = -1)。本研究基於 Chevallier-Polarski-Linder (CPL) 參數化模型,探討狀態方程式隨紅移 z 的動態演化:

w(z) = w_0 + w_a \frac{z}{1+z}

進而推導出暗能量能量密度隨宇宙演化之閉合解析解:

\rho_{\text{DE}}(z) = \rho_{\text{DE}, 0} (1+z)^{3(1+w_0+w_a)} \exp\left( -3 w_a \frac{z}{1+z} \right)

碩士論文進一步開發基於 Flat w(a)-CDM 的動態暗能量模型:捨棄傳統高階函數形式,改採分段三次函數進行曲線擬合,在接點處維持一階微分連續性(C¹ continuity)——降低調參難度並保留模型自由度。

核心課題二

雙向數值積分與巡天觀測擬合

建立結合向後積分(Backward Integration,t=0 → z → ∞) 與向前演化(Forward Evolution,z=1060 → z=0) 的數值求解框架。

H^2(z) = H_0^2 \left[ \Omega_{m0}(1+z)^3 + \Omega_{r0}(1+z)^4 + \Omega_{\text{DE}}(z) \right]

使用 SymPy 進行符號微分與解析求解,以 SciPy optimize 非線性最小化結合 Planck 2018 CMB 與 DESI 2024 BAO(重子聲學震盪) 觀測數據,整合 DM/rd、DH/rd、DV/rd 等距離量,透過加權 χ² 指標搜尋最佳參數組合。另操作過 CAMB、MadGraph 等科學開源工具。

主要成果 (Key Result)

在本研究設定的綜合 χ² 評估下,自研 V4 模型相較 DESI 官方多項標準模型呈現更佳資料匹配結果。

互動式宇宙學參數沙盒 (Interactive Cosmology Sandbox)

哈伯膨脹率 H(z)/H₀ 即時數值推演 (於紅移 z = 1.0)

計算膨脹倍率:1.790 × H₀
0.315
Planck 2018 基準值: 0.315
-1.00
宇宙學常數 Λ: -1.00
0.00
靜態模型基準值: 0.00

研究核心程式庫

Thesis Core Repo

Dynamical Dark Energy Models based on Planck & DESI Data

師大物理碩士論文「基於 Planck 與 DESI 數據對動態暗能量模型的觀測約束」核心代碼庫:ODE 積分求解、分段三次函數曲線擬合、符號解析與加權 χ² 觀測數據擬合腳本。

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