[論文レビュー] Alternatives to Cosmological Inflation

Robert Brandenberger|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2009

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 37被引用数 57

ひとこと要約

この論文は、加速的膨張の代わりに物質支配の収縮期を導入することで、超プランク問題と初期特異点を回避するインフレーションの代替案として、ストリングガス宇宙論と物質バンプ・スケナリオの2つをレビューしている。両者とも、宇宙論的摂動のスケール不変スペクトルを、進化全期間にわたり赤方偏移され続けるインフラレッド領域に留まる量子揺らぎによって生成し、インフレーションとは異なる観測可能な予測を提示する。

ABSTRACT

The inflationary paradigm, although very successful phenomenologically, suffers from several conceptual problems which motivate the search for alternative scenarios of early universe cosmology. Here, two possible alternatives will be reviewed. - "string gas cosmology" and the "matter bounce". Their successes and problems will be pointed out.

研究の動機と目的

• インフレーションのパラダイムに内在する概念的問題、特に超プランク問題と微調整が必要なスカラー場への依存を解決すること。
• 初期特異点を回避し、量子重力の制約と整合する早期宇宙の代替シナリオを探索すること。
• ストリングガス宇宙論と物質バンプが、観測されたスケール不変スペクトルの宇宙論的摂動を再現できるかどうかを評価すること。
• これらの代替案とインフレーションとの間の観測的に区別可能な主要な相違点を特定すること。
• ギャストモードや異方性・放射への不安定性といった問題を踏まえた上で、これらのモデルの妥当性を評価すること。

提案手法

• 曲率摂動ζとムファンコフ＝ササキ変数v_kを用いて、収縮宇宙における宇宙論的摂動の進化を分析する。
• べき則的背景（a(t) ∼ t^p）におけるv_kの運動方程式を適用し、超ハッブルスケールでの解を導出する。
• ハッブル半径通過条件と真空初期条件（v_k ∼ k^{-1/2}）を用いて、スペクトル密度P_ζ(k) ∝ constを計算する。
• 特に物質支配の収縮期と膨張期の間の段階遷移において、計量と摂動のマッチング条件を適用する。
• バウンスにおけるΦの進化を数値的および解析的に研究し、背景のマッチング条件と整合することを確認する。
• 物質バンプが放射および異方性に対して安定であるかを評価し、リー＝ウィーク・バンプのようなモデルにおけるギャストモードを検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物質支配の収縮期は、超プランク物理学を必要とせずに、初期摂動のスケール不変スペクトルを生成できるか？
• RQ2 特に超ハッブルスケールにおいて、バンプ宇宙における摂動の進化はインフレーション宇宙とどのように異なるか？
• RQ3 物質バンプとストリングガス宇宙論の両者が、インフレーションに内在する初期特異点と超プランク問題をどの程度回避できるか？
• RQ4 バンプモデルにおけるギャストモードの意味は何か？それらは有効場理論として妥当と見なせるか？
• RQ5 放射および異方性の導入に対してバンプシナリオはどの程度安定か？モデル構築にどのような制約を課えるか？

主な発見

• 物質バンプ・スケナリオにおいて、v_kの主要モードc₂は、超ハッブルスケールでスケール不変スペクトルP_ζ(k) ∝ constを生成し、CMB観測と一致するという主要な要件を満たす。
• 現在観測されるモードの物理的波長が、進化全期間にわたり非常に赤方偏移されたインフラレッド領域に留まり、プランク長より小さくなることはないため、超プランク問題は回避される。
• 物質バンプ・スケナリオは、収縮期に赤方偏移される真空揺らぎによってスケール不変スペクトルを生成し、最終的な振幅はハッブル半径通過条件と初期真空状態によって決定される。
• 物質支配期において曲率摂動ζは超ハッブルスケールで一定であり、標準的なインフレーションの結果と一致するが、特異的でない収縮背景から導出される。
• リー＝ウィーク・バンプ・モデルは、ファントム的性質の場を導入しギャストモードを生じるが、低エネルギー領域ではこれらは抑制されるため、低エネルギー有効理論として扱える。
• 物質バンプは放射および異方性の存在に対して不安定であり、近似的にスケール不変スペクトルが生成されるためには、モデル構築段階で注意深く制御する必要がある。