[論文レビュー] Beyond the Simplest Inflationary Cosmological Models

Alexei A. Starobinsky|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 1998

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、最も単純なインフレーションモデルを拡張し、2つの新しい宇宙論的シナリオを検討している：(1) 宇宙距離および角度サイズの測定がインフレートンポテンシャルを制約できる継続的インフレーションに似た段階の可能性；(2) インフレーション終焉付近の速い相転移によって引き起こされる可能性のある、原始的パワー スペクトルにおける局所的特徴を有するスケール不変性が破れたモデル。主な貢献は、このような特徴を検出するための臨界スケールとして $k = 0.05\, h\,\text{Mpc}^{-1}$ を特定したことである。

ABSTRACT

Though predictions of the simplest inflationary cosmological models with cold dark matter, flat space and approximately flat initial spectrum of adiabatic perturbations are remarkably close to observational data, we have to go beyond them and to introduce new physics not yet discovered in laboratories to account for all data. Two extensions of these models which seem to be the most actual at present time are discussed. The first one is the possibility that we are living at the beginning of a new inflation-like era. Then classical cosmological tests, like the luminosity distance or the angular size of distant objects as functions of redshift, as well as the behaviour of density perturbations in a dustlike matter component including baryons as a function of redshift, can provide information sufficient for the unambiguous determination of an effective potential of a corresponding present inflaton scalar field. The second, unrelated extension is a possibility of broken-scale-invariant cosmological models which have localized steps or spikes in the primordial perturbation spectrum. These features can be produced by fast phase transitions in physical fields other than an inflaton field in the early Universe during inflation and not far from the end of it. At present, it seems that the only scale in the spectrum around which we might see something of this type is $k=0.05 h Mpc^{-1}$.

研究の動機と目的

• 冷たい暗黒物質、平坦な幾何学、ほぼスケール不変なスペクトルを特徴とする最も単純なインフレーションモデルの限界を扱う。これらは観測データと整合的ではあるが、すべての観測を完全に説明できない。
• 現在、新しいインフレーションに似た時代の始まりに位置している可能性を調査し、古典的宇宙論的テストによってその可能性を検証することを目的とする。
• スケール不変性が破れたモデルが、原始的摂動スペクトルに局所的ステップやスパイクを生じる影響を検討すること。
• インフレートン以外の場の速い相転移が、インフレーションの終焉付近に特徴を生じさせる可能性があるかを検討すること。
• 現在および将来の観測データにおいて、このような特徴を検出するのに最も有望なスケール——$k = 0.05\, h\,\text{Mpc}^{-1}$——を特定すること。

提案手法

• 赤方偏移の関数としての古典的宇宙論的距離および角度サイズの関係を分析し、現在のインフレートンに似たスカラー場の有効ポテンシャルを制約する。
• ダストに似た物質成分（バリオンを含む）の摂動論的理論を用い、継続的インフレーションの文脈における赤方偏移の進化を研究する。
• スケール不変性が破れたモデルを検討し、密度摂動の原始的パワー スペクトルに局所的ステップやスパイクを導入する。
• 有効場理論の議論を用いて、インフレーションの終焉付近またはその直後に発生する非インフレートン場における速い相転移をモデル化する。
• このような特徴が観測可能なスケールに現れる条件を導出し、特に $k = 0.05\, h\,\text{Mpc}^{-1}$ スケールに注目する。
• 特に大規模構造およびCMB非一様性からの現在および将来の宇宙論的データを用いて、このような特徴の検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の宇宙における宇宙距離および角度サイズの測定が、新しいインフレーションに似た段階を駆動するスカラー場の有効ポテンシャルを明確に制約できるか？
• RQ2 非インフレートン場における速い相転移が引き起こす原始的パワー スペクトルの局所的ステップやスパイクに、どのような観測的シグネチャーが現れるか？
• RQ3 現在の観測感度において、このような特徴が最も検出されやすい原始的パワー スペクトルのスケールは何か？
• RQ4 継続的インフレーションを伴うモデルと標準的なコールド・ダーク・マター・モデルとを比較した場合、ダストに似た物質成分における密度摂動のダイナミクスはどのように異なるか？
• RQ5 インフレーションの終焉付近に、インフレートン場に関与しない物理的メカニズムが、スペクトルのスケール局所的特徴を生成する可能性は何か？

主な発見

• 古典的宇宙論的テスト——赤方偏移の関数としての距離の等級距離および角度サイズ——を用いることで、もし現在が新しいインフレーションに似た時代にあるならば、現在のインフレートンに似たスカラー場の有効ポテンシャルを一意に特定できる。
• インフレートン以外の場における速い相転移が、原始的パワー スペクトルにおける局所的特徴（ステップやスパイク）を生成する可能性がある。特にインフレーションの終焉付近に顕著である。
• このような特徴を原始的スペクトルで検出するのに最も有望なスケールとして、$k = 0.05\, h\,\text{Mpc}^{-1}$ が特定された。
• このような特徴の存在は、インフレートン系に新しい物理学を必要としないが、インフレーションの最終段階における他のスカラー場のダイナミクスによって生じる可能性がある。
• このモデルは、$k = 0.05\, h\,\text{Mpc}^{-1}$ における観測データが、標準インフレーションモデルとスケール不変性が破れ、局所的スペクトル特徴を持つモデルを区別できる可能性を示唆している。