[論文レビュー] Cosmological Perturbations in the 5D Holographic Big Bang Model

Natacha Altamirano, Elizabeth Gould+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2017

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 23被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、5次元のホログラフィックビッグバンモデルを提案し、我々の3-brane宇宙が5次元星の収縮から出現することにより、ビッグバン特異点を回避する。5次元のバルクに存在する薄い相対論的気圏が引き起こす宇宙論的曲率摂動を計算し、そのスペクトルが小スケールでスケール不変、中間スケールで赤、大スケールで青であることが判明した。観測結果と概ね整合的だが、単純なべき乗則モデルと比較して2.7σの不一致を示している。

ABSTRACT

The 5D Holographic Big Bang is a novel model for the emergence of the early universe out of a 5D collapsing star (an apparent white hole), in the context of Dvali-Gabadadze-Porrati (DGP) cosmology. The model does not have a big bang singularity, and yet can address cosmological puzzles that are traditionally solved within inflationary cosmology. In this paper, we compute the exact power spectrum of cosmological curvature perturbations due to the effect of a thin atmosphere accreting into our 3-brane. The spectrum is scale-invariant on small scales and red on intermediate scales, but becomes blue on scales larger than the height of the atmosphere. While this behaviour is broadly consistent with the non-parametric measurements of the primordial scalar power spectrum, it is marginally disfavoured relative to a simple power law (at 2.7$σ$ level). Furthermore, we find that the best fit nucleation temperature of our 3-brane is at least 3 orders of magnitude larger than the 5D Planck mass, suggesting an origin in a 5D quantum gravity phase.

研究の動機と目的

• インフレーション宇宙論の代替として、5次元ホログラフィックビッグバンモデルの明確で予測可能な枠組みを提供すること。
• 5次元バルクに存在する薄い相対論的気圏が3-brane上の宇宙論的摂動に与える影響を調査すること。
• 予備的スカラー功率スペクトルの非パラメトリック測定結果と照らし合わせて、モデルの予測を検証すること。
• 観測的および理論的制約を用いて、核生成温度と5次元プランク質量を制約すること。
• モデルがホログラフィックエントロピー限界や他の理論的制約と整合的であるかを評価すること。

提案手法

• 5次元バルク時空を、時間に依存する半径位置に埋め込まれた3-braneを持つシュワルツシルト幾何学としてモデル化する。
• DGP作用素における物質ラグランジアンによって記述される、相対論的粒子の薄い球対称気圏を導入する。
• 気圏のエネルギー運動量テンソルを用いて、5次元バルクにおける修正アインシュタイン方程式を解き、摂動を計算する。
• ブレーンワールド枠組みにおける誘導計量と摂動論を用いて、ブレーン上でのスカラー曲率パワー・スペクトルを計算する。
• 気圏によるハッブルパラメータの時間的変化を用いて、時間に依存する摂動増幅を導出する。
• 予測されたパワー・スペクトルを非パラメトリックCMB再構成と比較し、2.7σの水準で適合度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 薄い、降下する気圏によって引き起こされる5次元ホログラフィックビッグバンモデルにおける宇宙論的曲率摂動は、どのように生じるか？
• RQ2 気圏によって生成される原始パワー・スペクトルのスケール依存性は何か？観測結果と比較するとどうなるか？
• RQ3 このモデルは3-braneの核生成温度と5次元プランク質量にどのような制約を課えるか？
• RQ4 このモデルはホログラフィックエントロピー限界をどの程度満たしており、その整合性にどのような意味を持つのか？
• RQ5 相対論的補正と気圏の安定性は、予測されたパワー・スペクトルの形状にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 宇宙論的曲率摂動のパワー・スペクトルは小スケールでスケール不変、中間スケールで赤であるが、気圏の高さを超える大スケールでは青傾きを示す。
• モデルが予測するパワー・スペクトルは非パラメトリックCMB再構成と概ね整合的であるが、単純なべき乗則モデルと比較して2.7σの不一致を示している。
• 3-braneの最良適合核生成温度は、5次元プランク質量よりも少なくとも3桁以上大きいことが判明し、量子重力的起源を示唆している。
• モデルはホログラフィックエントロピー限界を少なくとも2.5桁のオーダーで破っており、ビッグバン核合成と薄い気圏の制約の境界で最も緩い違反が発生する。
• 気圏の相対論的音速（c/2）と静的平衡プロファイルは、スペクトル形状にO(0.2)程度の補正をもたらす可能性があるが、現時点では無視されている。
• モデルは理論的および実証的課題、特に気圏の安定性とエントロピー限界との整合性を抱えつつも、初期宇宙宇宙論の有効な候補のままである。