[論文レビュー] Constraints on Scalar-Tensor Theories of Gravity from Density Perturbations in Inflationary Cosmology

Takeshi Chiba, Naoshi Sugiyama+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 1997

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、カオス的インフレーション期におけるスカラータンスラーティーリー理論の密度摂動スペクトルを計算し、アディアバティックモードと等エントロピー（イソカーリューリティ）モードを含めた上で、予測された宇宙マイクロ波背景放射の非一様性とCOBE-DMR観測結果を比較することにより、モデルパラメータを制約する。その結果、後ニュートン的実験による制約よりも1桁強い制約が得られた。

ABSTRACT

Spectra of density perturbations produced during chaotic inflation in scalartensor theories of gravity are calculated, taking both adiabatic and isocurvature modes into account. Comparing the predicted spectrum of the cosmic microwave background radiation anisotropies with the one observed by the COBE-DMR we calculate constraints on the parameters of these theories, which turn out to be stronger by an order-of-magnitude than those obtained from post-Newtonian experiments. PACS numbers: 04.50+h,98.80.-k Typeset using REVT E X e-mail: [e-mail] I. INTRODUCTION Inflationary cosmology gives a natural explanation for the horizon, flatness, homogeneity, and monopole problems [1]. In its simplest form, inflation with a single scalar field predicts an approximately scale-invariant spectrum of Gaussian adiabatic density perturbations [2]. If other fields are present, however, primordially isocurvature perturbations may also be generated to leave an imprint on the universe ...

研究の動機と目的

• スカラータンスラーティーリー理論がカオス的インフレーション期の密度摂動に与える影響を調査すること。
• 初期宇宙摂動スペクトルの計算に、アディアバティックモードと等エントロピー（イソカーリューリティ）モードの両方を組み込むこと。
• 宇宙マイクロ波背景放射の非一様性に関するCOBE-DMRデータを用いて、スカラータンスラーティーリー理論のパラメータに観測的制約を課すこと。
• これらの制約が、後ニュートン的実験によるものと比べてどの程度強いかを比較すること。
• インフレーション宇宙論とCMB観測の観点から、スカラータンスラーティーリー理論の妥当性を評価すること。

提案手法

• インフレーション力学を用いて、カオス的インフレーション期におけるスカラータンスラーティーリー理論の密度摂動スペクトルを計算すること。
• 摂動スペクトル解析に、アディアバティックモードと等エントロピー（イソカーリューリティ）モードの両方を組み込むこと。
• COBE-DMRが観測した宇宙マイクロ波背景放射の非一様性スペクトルを、モデル比較の基準として用いること。
• スカラータンスラーティーリー重力の理論枠組みを適用し、有効な結合パラメータとそのインフレーション期における時間発展を導出すること。
• 理論的予測を観測データと一致させることで、理論の自由パラメータを制約すること。
• CMBデータから得られる制約と、後ニュートン的実験から得られる制約を比較分析すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スカラータンスラーティーリー理論は、カオス的インフレーション期における密度摂動スペクトルをどのように修正するか？
• RQ2 これらの理論において、アディアバティックモードと等エントロピー（イソカーリューリティ）モードの両方が、合計摂動スペクトルに与える相対的寄与は何か？
• RQ3 COBE-DMRが提供するCMB非一様性データを用いて、スカラータンスラーティーリー理論のパラメータはどの程度きめのぎりに制約されるか？
• RQ4 CMBデータに基づくこれらの制約は、後ニュートン的実験によるものと比べて、どの程度強いか？
• RQ5 現在のCMB観測とインフレーションの制約を踏まえて、スカラータンスラーティーリー理論はどの程度妥当性を保っているか？

主な発見

• スカラータンスラーティーリー理論において、アディアバティックモードと等エントロピー（イソカーリューリティ）モードの両方を含めることで、宇宙マイクロ波背景放射の非一様性スペクトルに対する予測が修正されること。
• COBE-DMRデータから得られるスカラータンスラーティーリー理論のパラメータに対する制約は、後ニュートン的実験によるものよりも約1桁強い。
• 観測されたCMB非一様性パワー スペクトルは、局所的重力実験よりも、スカラータンスラーティーリー重力の結合パラメータに対してきめのぎりの強い制限を課している。
• 結果から、インフレーション宇宙論、特にCMB観測を通じて、従来の弱場テストよりもスカラータンスラーティーリー重力の探査により感度の高いプローブが得られることを示唆している。
• 分析により、CMBデータと整合するためには、スカラータンスラーティーリー理論が一般相対性理論からわずかにずれている必要があることが確認された。
• モデル依存の制約は、摂動のインフレーション期における時間発展に影響を与えるスカラータンスラーティーリー結合関数の具体的な形に依存する。