[論文レビュー] CMB anisotropies induced by tensor modes of primordial GWs in Massive Gravity

Dennis Bessada, Oswaldo D. Miranda|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2009

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、質量のある重力子を仮定する質量重力理論におけるテンソルモード重力波を調査し、重力子質量が ≤10⁻²⁹ cm⁻¹ の場合、一般相対性理論と区別できないことを示している。重力子質量が10⁻²⁷〜10⁻²⁶ cm⁻¹ の範囲にある場合、低多重極（𝓁 < 30）におけるCMB不均一性に検出可能なシグネチャが現れ、CMB測定が質量のあると質量のないテンソルモードを区別できる可能性を示唆している。

ABSTRACT

We study Gravitational Waves (GWs) in the context of Massive Gravity, an extension to General Relativity (GR) where the fluctuations of the metric have a nonzero mass, and specifically investigate the effect of the tensor modes on the Cosmic Microwave Background (CMB) anisotropies. We first study the time evolution of the tensor modes in Massive Gravity and show that there is a graviton mass limit $m_l=10^{-66}g\sim 10^{-29}cm^{-1}$, so that for masses $m\leq m_l$ the tensor perturbations in Massive Gravity are indistinguishable from the corresponding ones in GR. Also, we show that short wavelength massive modes behave almost indistinguishably from their massless counterparts. Later on, we show that massive gravitons with masses within the range $m= 10^{-27}cm^{-1}$ - $m=10^{-26}cm^{-1}$ would leave a clear signature on the lower multipoles ($\ell< 30$) in the CMB anisotropy power spectrum. Hence, our results show that CMB anisotropies measurements might be decisive to show whether the tensor modes are massive or not.

研究の動機と目的

• 一般相対性理論の拡張である質量重力理論におけるテンソルモード重力波の挙動を検討すること。
• CMB不均一性の文脈において、質量のある重力子モードが質量のないモードと区別できなくなる条件を特定すること。
• CMBパワー スペクトルに測定可能なインプリントを残す特定の重力子質量範囲を同定すること。

提案手法

• 質量のある重力子伝播関数を用いた線形化された場の運動方程式を用いて、質量重力理論におけるテンソル摂動の時間的発展を分析すること。
• 一般相対性理論における質量のないモードと区別できないような臨界的重力子質量限界 𝑚_𝑙 ≈ 10⁻²⁹ cm⁻¹ を導出すること。
• 短波長の質量のあるテンソルモードの振る舞いを評価し、質量のないモードと比較すること。
• CMB不均一性パワー スペクトルを計算し、低多重極（𝓁 < 30）に注目して、質量のあるテンソルモードの影響を評価すること。
• 宇宙論的背景における摂動論を用いて、質量のある重力子とCMB温度揺らぎの結合をモデル化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量重力理論におけるテンソルモードの挙動が一般相対性理論と区別できなくなる重力子質量はどの程度か？
• RQ2 短波長の質量のあるテンソルモードは、質量のないモードと比較してCMBにどのような影響を及けるか？
• RQ3 どの範囲の重力子質量が低多重極CMB不均一性パワー スペクトルに測定可能なインプリントを残すか？
• RQ4 CMB不均一性測定は、質量のあると質量のないテンソルモードを区別できるか？
• RQ5 一般相対性理論からのずれがCMBデータでは観測不能になる臨界的重力子質量は何か？

主な発見

• 一般相対性理論におけるモードと区別できないような重力子質量の限界 𝑚_𝑙 ≈ 10⁻²⁹ cm⁻¹ が存在する。
• 短波長の質量のあるテンソルモードは、質量のないモードとほとんど同一に振る舞い、高多重極におけるずれは最小限に抑えられる。
• 重力子質量が10⁻²⁷ cm⁻¹ から10⁻²⁶ cm⁻¹ の範囲にある場合、低多重極（𝓁 < 30）におけるCMB不均一性パワー スペクトルに明確で特徴的なシグネチャが現れる。
• CMB不均一性パワー スペクトルはテンソルモードの質量に敏感であり、重力波の質量をテストする可能性のあるプローブである。
• これらの結果から、今後のCMB測定が、テンソルモードが質量を持つのか、それとも質量のないものなのかを決定的に特定できる可能性がある。