[論文レビュー] Bulk viscous quintessential inflation

Jaume de Haro, Supriya Pan|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2015

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、一般相対性理論における体積粘性を用いた、初期宇宙のインフレーションと後期の加速膨張を1つの非特異なFLRW宇宙で統一するモデルを提案する。体積粘性をハッブルパラメータの関数としてモデル化することで、1つのスカラー場が、インフレーションに適したヒッグス型の形と、ダークエネルギーに適した指数関数的形を併せ持つ解析的ポテンシャルを持つことにより、両方の段階を再現する。ランニングを含めた場合、プランクデータと整合するパワー スペクトルをもたらし、熱力学的平衡が漸近的に達成される。

ABSTRACT

The incorporation of bulk viscosity process to General Relativity leads to the appearance of nonsingular backgrounds that, at early and late times, depict an accelerated universe. These backgrounds could be analytically calculated and mimicked, in the context of General Relativity, by a single scalar field whose potential could also be obtained analytically. We will show that, we can build viable backgrounds that, at early times, depict an inflationary universe leading to a power spectrum of cosmological perturbations which match with current observational data, and after leaving the inflationary phase, the universe suffers a phase transition needed to explain the reheating of the universe via gravitational particle production, and finally, at late times, it enters into the de Sitter phase that can explain the current cosmic acceleration.

研究の動機と目的

• 一般相対性理論における体積粘性を用いて、初期インフレーションと後期宇宙加速を1つの宇宙論的モデルで統一すること。
• ビッグバン特異性を回避し、初期および後期の加速段階を支持する非特異なバックグラウンドを構築すること。
• モデルのスカラー場ポテンシャルが解析的に導出可能であり、宇宙論的摂動の観測的制約を再現できることを示すこと。
• エントロピーが増加し、漸近的に平衡に達することを示す熱力学的一致性を確立すること。
• 重力的粒子生成がインフレーションから放射支配時代への段階的転移を可能にすること。

提案手法

• ハッブルパラメータの関数として体積粘性をモデル化：ξ(H) = -ξ₀ + mH + n/H により、定数、Hに比例、1/Hに依存する場合を含む。
• この粘性モデル下での修正されたフレリッドマン方程式およびレイチャウドフリ方程式を解き、バックグラウンドの時間発展と臨界点を導出する。
• 再構築法を用いて、粘性流体のダイナミクスを有効ポテンシャルを持つ1つのスカラー場に写像する。
• スカラー場ポテンシャルを用いて、宇宙論的摂動のパワー スペクトル（テンソル対スカラー比とスペクトル指数のランニングを含む）を計算する。
• 動的システム解析を実施し、臨界点を特定：初期に反発点（インフレーション）と後期に吸引点（デ de Sitter 段階）を有する。
• 熱力学的挙動を分析し、エントロピーの時間発展とベケンシュタイン＝ホーキング補正を含めた場合の熱力学的整合性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一般相対性理論における体積粘性モデルは、特異性のない宇宙を生み出し、初期インフレーションと後期加速の両方を実現できるか？
• RQ2 このような粘性宇宙のダイナミクスは、解析的ポテンシャルを持つ1つのスカラー場に正確に写像可能か？
• RQ3 得られたスカラー場モデルは、プランク2015観測制約と整合する摂動のパワー スペクトルを生成するか？
• RQ4 エントロピーが単調に増加し、漸近的に平衡に達するという点で、モデルは熱力学的に整合的か？
• RQ5 重力的粒子生成は、インフレーションから放射支配時代への転移をどのように促進するか？

主な発見

• モデルは、2つの明確な加速段階（初期インフレーション段階：反発点、後期デ de Sitter 段階：吸引点）を持つ非特異な宇宙バックグラウンドをもたらす。
• スカラー場の有効ポテンシャルは、インフレーションに適した1次元ヒッグス型ポテンシャルと、後期加速に適した指数関数的ポテンシャルの組み合わせとして解析的に導出される。
• 摂動のパワー スペクトルは、スペクトル指数のランニングを含めた場合、現在の観測データと整合する。テンソル対スカラー比は95.5%信頼区間で r ≤ 0.25 に制限される。
• ランニングを含んでも、テンソル対スカラー比はプランク2013/2015の上限（r < 0.11/0.12）をわずかに上回るが、現在の観測制約の範囲内では妥当なモデルである。
• インフレーション段階の後、重力的粒子生成によって駆動される段階的転移が起こり、熱化と放射支配時代に至る。これにより、ホットビッグバンに類似した時間発展が可能になる。
• モデルは熱力学的に整合的である：エントロピーは単調に増加し、後期のデ de Sitter 吸引点に漸近的に到達する。ベケンシュタイン＝ホーキング補正を含めても同様である。