[論文レビュー] Correlated adiabatic and isocurvature CMB fluctuations in the light of the WMAP data

J. Väliviita|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2003

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、多場モデルインフレーションの文脈において相関する断熱的および等曲率初期揺らぎを検討し、WMAP TTおよびTEパワースペクトルを用いてスペクトル指数と相関パラメータを制約する。結果として、WMAPデータは2つの断熱的成分に逆向きのスペクトル傾きを持つモデルを支持しており、これにより有効な断熱的スペクトル指数の変化が生じる。また、等曲率分率について2σ上限としてf_iso < 0.84を算出し、相関と光学的厚さτのデゲネラシーが存在する。

ABSTRACT

In multi-field inflation models, correlated adiabatic and isocurvature fluctuations are produced and in addition to the usual adiabatic fluctuation with a spectral index n_ad1 there is another adiabatic component with a spectral index n_ad2 generated by entropy perturbation during inflation, if the trajectory in the field space is curved. Allowing n_ad1 and n_ad2 to vary independently we find that the WMAP data favour models where the two adiabatic components have opposite spectral tilts. This leads naturally to a running adiabatic spectral index. The WMAP data with a prior n_iso &lt; 1.84 for the isocurvature spectral index gives fiso &lt; 0.84 for the isocurvature fraction of the initial power spectrum at k_0 = 0.05 Mpc^{-1}. We also comment on a degeneration between the correlation component and the optical depth tau. Moreover, the measured low quadrupole in the TT angular power could be achieved by a strong negative correlation, but then one would need a large tau to fit the TE spectrum.

研究の動機と目的

• WMAPデータを用いて、多場モデルインフレーションにおける相関する断熱的および等曲率初期揺らぎの妥当性を評価すること。
• 観測されたCMB四重極子の低さが、断熱的および等曲率成分間の強い負の相関によって説明可能かどうかを検証すること。
• TTおよびTEパワースペクトルのフィッティングにおいて、相関振幅と光学的厚さτとのデゲネラシーを調査すること。
• 同一の断熱的スペクトル指数を仮定するのを緩和し、より一般的なモデルとしてn_ad1とn_ad2を独立に変化させること。

提案手法

• τ、Ω_Λ、ω_b、ω_c、n_ad1、n_ad2、n_iso、f_iso、cos(Δ)の9つの宇宙論的パラメータについて、約10^10通りの組み合わせをカバーするグリッドベースのパラメータスキャンを実施。
• パラメータ空間における非ガウス的尤度を扱うために、統合による周辺化を適用。
• 初期パワースペクトルを2つの断熱的成分と1つの等曲率成分の和としてモデル化し、2番目の断熱的モードと等曲率モードの間に相関項を導入。
• インフレーション期のホライズン脱出時（t*）から放射支配時代（t_rad）への摂動の進化を、転送関数T_R_S(k)およびT_S_S(k)を用いて記述。
• 位相依存の混合パラメータΔを用いて、断熱的、等曲率的、相関的成分の組み合わせとして全角パワー スペクトルClを導出。
• f_isoの制約を強化するため、外部の大規模構造データに基づき等曲率スペクトル指数にn_iso < 1.84の事前分布を課す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相関する断熱的および等曲率揺らぎは、WMAPデータで観測されたCMB四重極子の低さを説明可能か？
• RQ2 2つの断熱的成分のスペクトル指数を独立に変化させることで、同一指数を仮定するモデルよりも良いフィットが達成可能か？
• RQ3 TTおよびTEスペクトルのフィッティングにおいて、光学的厚さτと断熱的および等曲率モード間の相関の間にはどの程度のデゲネラシーが存在するか？
• RQ4 外部データによるn_isoの制約のもとで、等曲率分率f_isoにどの程度の上限を設定できるか？
• RQ5 2番目の断熱的モードと等曲率モードの間で強い負の相関を仮定することで、TT四重極子を抑制しつつ、TEスペクトルにも適合できるか？

主な発見

• WMAPデータは、2つの断熱的成分に逆向きのスペクトル傾きを持つモデルを支持しており、これにより有効な断熱的スペクトル指数の変化が生じる。
• 外部データによるn_iso < 1.84の事前分布を仮定した場合、k₀ = 0.05 Mpc⁻¹における等曲率分率について2σ上限f_iso < 0.84が得られた。
• 断熱的スペクトル指数を同一と仮定する（n_ad1 = n_ad2）と、f_iso < 0.74というより厳しい上限が得られ、この仮定を緩和することで制約が顕著に変化することが示された。
• 2番目の断熱的モードと等曲率モードの間で強い負の相関を仮定することで、TT四重極子が抑制され、観測された低振幅の説明として有望な可能性を示した。
• 相関が負のとき、TEスペクトルにおける完全なキャンセルが不完全であるため、大きな光学的厚さτが必要となり、τと相関振幅の間のデゲネラシーが示された。
• 正の相関は低多重度でTEパワーを増強するが、TT四重極子を著しく高めてしまうため、データに適合しない。したがって、このようなモデルはデータによって排除される。