[論文レビュー] Beyond Standard Inflationary Cosmology

Robert Brandenberger|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2018

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、超弦理論が初期宇宙に特徴的な特異点のない宇宙論に自然に導くことを主張し、T双対性と二重化時空形式を活用することでインフレーションを必要としない構造形成が可能であると提唱している。主な貢献は、T双対性において物理的長さが不変であることを踏まえた特異点のない初期宇宙モデルであり、これはビッグバン特異点が標準的宇宙論における不完全な記述に起因するものであることを示唆している。

ABSTRACT

The inflationary scenario is not the only paradigm of early universe cosmology which is consistent with current observations. General criteria will be presented which any successful early universe model must satisfy. Various ways, including inflation, will be presented which satisfy these conditions. It will then be argued that if nature is described at a fundamental level by superstring theory, a cosmology without an initial space-time singularity will emerge, and a structure formation scenario which does not include inflation may be realized.

研究の動機と目的

• 標準的インフレーション宇宙論の枠を超えて、成功した初期宇宙モデルが満たすべき一般的な基準を特定すること。
• 現在のCMBおよび大規模構造の観測データと整合する代替的宇宙論的シナリオを探ること。
• 超弦理論が自然に初期特異点を回避でき、非インフレーション的構造形成メカニズムを可能にすることを主張すること。
• 弦理論におけるT双対性が、ビッグバン特異点が存在しない物理的記述にどのように導くかを示すこと。
• 非インフレーション的初期宇宙モデルの今後の観測的検証に向けた検証可能なフレームワークを提供すること。

提案手法

• 位置座標とT双対座標を併せ持つ時空を記述するため、二重場理論（DFT）形式を用い、2d次元の二重空間を構築する。
• T双対性を適用することで、物理的長さがR → 1/Rの変換に対して不変であることを示し、小さな半径と大きな半径が物理的に同等であることを示す。
• 二重空間における宇宙論的計量を定義する：ds² = dt² − a(t)²dx² − a(t)⁻²d~x²、ここでxと~xは位置と双対的位置を表す。
• 光のストリングモードを通じて物理的観測量を分析する：R ≫ 1では長さはxで測定され、R ≪ 1では~xで測定され、物理的特異点は観測されない。
• 空間が収縮してから膨張するように見える物理的観測者による視点を構築し、R = 0での特異点を回避する。
• 双対性不変形式を用いて、標準的ビッグバン特異点が単一の座標パッチ（xまたは~x）の選択に起因するものであり、T双対性不変理論の本質的特徴ではないことを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMBおよび大規模構造の観測と整合しつつ、初期特異点を回避できる宇宙論的モデルは存在するか？
• RQ2 弦理論におけるT双対性は、初期宇宙における時空進化の物理的解釈にどのように影響を与えるか？
• RQ3 二重化時空は、特異点のない宇宙論を構築する上で果たす役割は何か？
• RQ4 初期宇宙が弦理論的原理によって記述される場合、構造形成はインフレーションなしに起こり得るか？
• RQ5 宇宙論的文脈において、長さと時間の物理的測定値がT双対性に対してどのように不変に保たれるか？

主な発見

• 任意の装置が測定する物理的長さはT双対性に対して不変であり、R ≫ 1ではl_p(R) = R、R ≪ 1ではl_p(R) = 1/Rとなるため、R = 0で物理的特異点は発生しない。
• 二重化時空形式において、計量ds² = dt² − a(t)²dx² − a(t)⁻²d~x²は、物理的観測者が特異点を観測しない宇宙を記述しており、R(t) → 0であっても同様である。
• 標準的ビッグバン特異点は、xまたは~xの1つの座標パッチのみを用いた結果であり、T双対性不変理論の本質的特徴ではない。
• 初期宇宙がストリングガス宇宙論によって記述される場合、放射優勢状態における熱的揺らぎが不均一性を生成するため、構造形成はインフレーションなしに起こり得る。
• このモデルは検証可能である：インフレーション宇宙論とは異なる予測をし、特に小スケールでの初期宇宙の振る舞いにおいて顕著である。
• このフレームワークは、インフレーション段階を必要とせず、観測されたほぼ平坦な宇宙とスケール不変なCMB非一様性スペクトルを自然に組み込む。