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

J. Väliviita, Vesa Muhonen|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2003

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、宇宙背景放射（CMB）における相関する断熱的および等曲率フラクチュエーションを調査し、WMAPが2つの断熱的成分のスペクトル指数が同一であると仮定していた点を緩和する。2つの断熱的成分のスペクトル指数を独立に許容することで、著者らはWMAPデータが逆方向のスペクトル傾きを持つモデルとやや高い等曲率分数量の上限（2σでf_iso < 0.84）を支持することを発見した。相関が、低CMB四重極モーメントと高TEスペクトルを同時に適合させる上で中心的な役割を果たす。

ABSTRACT

In general correlated models, in addition to the usual adiabatic component with a spectral index n_ad1 there is another adiabatic component with a spectral index n_ad2 generated by entropy perturbation during inflation. We extend the analysis of a correlated mixture of adiabatic and isocurvature CMB fluctuations of the WMAP group, who set the two adiabatic spectral indices equal. Allowing n_ad1 and n_ad2 to vary independently we find that the WMAP data favor models where the two adiabatic components have opposite spectral tilts. Using the WMAP data only, the 2-sigma upper bound for the isocurvature fraction f_iso of the initial power spectrum at k_0=0.05 Mpc^{-1} increases somewhat, e.g., from 0.76 of n_ad2 = n_ad1 models to 0.84 with a prior n_iso &lt; 1.84 for the isocurvature spectral index. We also comment on a possible 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 needs a large tau to fit the TE spectrum.

研究の動機と目的

• 相関する断熱的および等曲率CMBフラクチュエーションが、非相関モデルよりもWMAPデータをよりよく説明できるかどうかを調査すること。
• 2つの断熱的成分が同一のスペクトル指数を持つというWMAPの仮定を緩和し、n_ad1およびn_ad2の独立した進化を許容すること。
• スペクトル指数のデゲネラシーと相関が、特にf_isoおよびτの宇宙論的パラメータ制約に与える影響を評価すること。
• TTおよびTEパワー スペクトルの適合において、相関振幅と光学的厚さτのデゲネラシーを検討すること。
• 低CMB四重極モーメントと高TE四重極モーメントを、相関モデルによって同時に説明できるかどうかを特定すること。

提案手法

• 研究は、インフレーション場φとエントロピー場χを有する2場のインフレーションモデルを用い、インフレーションおよび再結合期における曲率およびエントロピー摂動の進化を、転送関数T_RSおよびT_SSでモデル化する。
• 初期パワー スペクトルは、独立したスペクトル指数n_ad1、n_ad2、n_iso、および相関成分のためのn_cor = (n_ad2 + n_iso)/2に従うべきであると仮定する。
• 断熱的およびエントロピー摂動の運動方程式を解くことで得られる転送関数を用いて、TTおよびTEの角パワー スペクトルを数値的に計算する。
• ベイズ的尤度解析を実施し、τ、Ω_Λ、ω_b、ω_c、およびf_isoを含む宇宙論的パラメータについて周辺化する。
• スペクトル指数を独立に変化させ、観測されたTTおよびTEスペクトルと比較することで、f_isoおよびcosΔ（相関振幅）の制約を含む。
• モデルは非ガウス的周辺尤度および信頼領域を許容し、パラメータのデゲネラシーと制約を評価する。

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フラクチュエーションの混合は、非相関モデルよりもWMAP CMBデータをよりよく説明できるか？
• RQ2 2つの断熱的スペクトル指数を独立に許容した場合、等曲率分数量f_isoに及ぼされる制約は何か？
• RQ3 断頭的および等曲率成分間の相関が、低TT四重極モーメントと高TE四重極モーメントの適合にどのように影響するか？
• RQ4 光学的厚さτとの相関デゲネラシーが、宇宙論的パラメータ推定にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 2つの断熱的成分のスペクトル指数を独立に許容することで、純粋な断頭的モデルと比較してn_ad1の制約が顕著に変化するか？

主な発見

• WMAPデータは、2つの断頭的成分が逆方向のスペクトル傾きを持つモデルを支持しており、最良適合モデルではn_ad1 ≈ 1.03およびn_ad2 ≈ 0.64である。
• n_ad2とn_ad1が独立に変化可能になると、等曲率分数量の2σ上限は、WMAPの仮定（n_ad1 = n_ad2）下での0.76から0.84に上昇する。
• 強い負の相関（cosΔ ≈ -0.08）により、TTスペクトルの過剰なパワーが相殺され、低四重極モーメントを実現しつつ、高TE四重極モーメントにも適合可能となる。
• 相関成分はTEスペクトルにパワーを追加するため、相関モデルでは純粋な断頭的モデルよりもわずかに小さい光学的厚さτ（τ ≈ 0.13）を好む。
• 相関モデルでは、等曲率分数量とバリオン密度ω_bのデゲネラシーが著しく悪化し、CMBのみではω_bが制約されなくなる。
• 相関モデルにおける主な断頭的成分の周辺スペクトル指数はn_ad1 = 0.98 ± 0.07であり、純粋な断頭的ケース（n_ad1 = 0.97 ± 0.06）とわずかに異なるにとどまる。