[論文レビュー] An introduction to inflation and cosmological perturbation theory

L. Sriramkumar|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2009

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 28

ひとこと要約

この論文は、宇宙インフレーションと線形宇宙論的摂動理論について包括的な紹介を提供しており、インフレーション期の量子揺動が、ほぼスケール不変な初期摂動を生成し、大規模構造の種まきとCMB不均一性の観測と一致することを説明している。スローロールインフレーションにおけるスカラーおよびテンソル摂動の式を導出し、最近のCMBデータと優れた一致を示している。また、代表的なインフレーションモデルに対する制約と、非ガウス性およびスペクトル特徴の今後の観測的検証の可能性についても議論している。

ABSTRACT

This article provides an introductory review of inflation and cosmological perturbation theory. I begin by motivating the need for an epoch of inflation during the early stages of the radiation dominated era, and describe how inflation is typically achieved using scalar fields. Then, after an overview of linear cosmological perturbation theory, I derive the equations governing the perturbations, and outline the generation of the scalar and the tensor perturbations during inflation. I illustrate that slow roll inflation naturally leads to an almost scale invariant spectrum of perturbations, a prediction that seems to be in remarkable agreement with the measurements of the anisotropies of the cosmic microwave background. I describe the constraints from the recent observations on some of the more popular models of inflation. I conclude with a brief discussion on the status and certain prospects of the inflationary paradigm.

研究の動機と目的

• ホットビッグバンモデルにおけるホライズン問題を解決するための宇宙インフレーションの必要性を動機づける。
• スカラー場がどのようにインフレーションを駆動し、量子揺動によって初期摂動を生成するかを説明する。
• スカラーおよびテンソルモードの線形宇宙論的摂動理論の式を導出し、分析する。
• スローロールインフレーションが自然に、CMB観測と一致するほぼスケール不変なパワースペクトルを生成することを示す。
• 代表的なインフレーションモデルに対する観測的制約をレビューし、非ガウス性およびスペクトル特徴の今後の検証の可能性を議論する。

提案手法

• 線形宇宙論的摂動理論の形式的枠組みが構築され、摂動をスカラー、ベクトル、テンソルモードに分類する。
• 空間的に平坦なフレリッド・ロバートソン・ウォーカー背景における最小にカップルされたスカラー場の作用および運動方程式が導出される。
• スカラー場のダイナミクスにスローロール近似が適用され、背景の時間発展および摂動スペクトルの解析的解が得られる。
• ムカノフ＝ササキ方程式が、インフレーション期における曲率摂動の時間発展を導出するために用いられる。
• パワーロウおよびスローロールインフレーションの両状況下で、スカラーおよびテンソル摂動のパワースペクトルが計算される。
• CMB不均一性データ（例：WMAP、Planck）からの観測的制約が、理論的予測と測定値の比較に用いられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インフレーションは、ホットビッグバンモデルのホライズン問題をどのように解決するか？
• RQ2 スローロールインフレーションにおいて、初期摂動スペクトルがほぼスケール不変になる条件は何か？
• RQ3 スカラーおよびテンソル摂動は、インフレーション期の量子揺動からどのように生成されるか？
• RQ4 現在のCMB観測は、特定のインフレーションモデルをどの程度制約しているか？
• RQ5 初期パワースペクトルに非ガウス性または特徴がある場合、将来のインフレーションモデル構築にどのような含意があるか？

主な発見

• スローロールインフレーションは、CMB観測と非常に良好に一致する、ほぼスケール不変な初期曲率摂動スペクトルを生成する。スペクトル指数は1に近く、非常に良好な一致を示す。
• スカラー摂動の振幅は、インフレーション期のハッブル定数とスローロールパラメータによって決定され、観測されたCMB不均一性レベルと一致する。
• インフレーションによるテンソル摂動は、ストキャスティックな重力波背景をもたらし、そのスペクトルもほぼスケール不変であり、CMB偏光データによって制約されている。
• 最近のCMBデータは、低多重極子数でわずかなずれを示しており、初期パワースペクトルに特徴がある可能性を示唆しているが、現在のデータは特徴のないスペクトルと整合的である。
• 標準的単一場スローロールモデルでは、初期摂動の非ガウス性は小さいが、将来的に大きな非ガウス性が検出されれば、このようなモデルは否定され、代替の作用や特徴を有するモデルが好ましくなる。
• インフレーションの基本的高エネルギー理論の欠如は、依然として主要な課題であり、完全に動機づけられ、現象学的に妥当なモデルについての合意は得られていない。