[論文レビュー] Cosmological Strucure Formation with Topological Defects

Ruth Durrer|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2000

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、宇宙線やテクスチャーなどのトポロジカルな欠陥を介した宇宙構造形成を調査し、宇宙マイクロ波背景（CMB）非等方性データと照らし合わせる。結論として、特にグローバル O(N) テクスチャーと宇宙線が含まれるすべての欠陥モデルが観測と一致しないことが判明した。主な要因は、明確な音響ピークが存在せず、過剰なデコherenceが生じるためであり、Boomerang および Toco 実験で測定された狭い最初のピークと矛盾する。

ABSTRACT

Structure formation with topological defects is described. The main differences from inflationary models are highlighted. The results are compared with recent observations. It is concluded that all the defect models studied so far are in disagreement with recent observations of CMB anisotropies. Furthermore, present observations do not support 'decoherence', a generic feature of structure formation from topological defects.

研究の動機と目的

• トポロジカル欠陥（例えば宇宙線やテクスチャー）が宇宙構造形成を説明できるかどうかを評価すること。
• COBE、BoomerangNA、Toco からの最新の CMB 非等方性データと、欠陥に基づくモデルの予測を比較すること。
• 欠陥駆動構造形成におけるデコherenceおよびエネルギー運動量テンソルの保存の役割を評価すること。
• 欠陥モデルが観測された CMB 力学スペクトルの狭い最初のピークを再現できるかどうかを特定すること。
• どの欠陥モデルでも、大規模なバルクフローおよびダークマターのパワースペクトルを説明できるかどうかを調査すること。

提案手法

• 初期宇宙における対称性の破れ相転移の過程でキッブメカニズムによって発生するトポロジカル欠陥の形成を分析する。
• ホモトピー群分類（π₀, π₁, π₂, π₃）を用いて欠陥の種類（ドメインウォール、宇宙線、モノポール、テクスチャー）を特定する。
• グローバルおよびローカル欠陥のエネルギー運動量テンソルをモデル化し、勾配エネルギーおよびスケーリング行動に注目する。
• 線形化された摂動方程式の数値的解法を用いて、O(4) テクスチャーおよび宇宙線モデルの CMB 非等方性パワースペクトルをシミュレートする。
• ストリングネットワークのダイナミクス、相互作用交差、重力放射の影響がパワースペクトルの進化に与える影響を評価する。
• モデルの予測を観測データと照らし合わせる。特に Toco および BoomerangNA の CMB スペクトルおよびバルクフロー測定値を対象とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙線やテクスチャーなどのトポロジカル欠陥は、現在の観測と整合する CMB 非等方性スペクトルを生成できるか？
• RQ2 欠陥モデルは、インフレーションモデルが予測するように、明確な音響ピークの系列を生成するか？
• RQ3 非線形的欠陥進化によるデコherence が、CMB の音響特徴をどの程度ぼやけさせてしまうか？
• RQ4 グローバル欠陥とローカル欠陥のエネルギー運動量テンソルの違いが、密度摂動の成長に与える影響はいかほどか？
• RQ5 欠陥モデルは、50 h⁻¹ Mpc スケールで約 300 km/s の観測された大規模バルク速度を再現できるか？

主な発見

• グローバル O(N) テクスチャー モデルは CMB パワースペクトルに音響ピークを生成せず、観測結果と矛盾するため除外される。
• 宇宙線モデルは低〜中程度の ℓ（ℓ ≳ 400）で、明確でない広い盛り上がりしか生成せず、BoomerangNA および Toco が観測した狭い最初のピークとは一致しない。
• 宇宙線の CMB 非等方性スペクトルは、壊れるストリングループの状態方程式 w_X といった未知のパラメータに極めて敏感であり、大きな不確実性を伴う。
• 欠陥源の非線形的進化によるデコherence は、明確な音響ピークの形成を抑制し、観測された狭い最初のピークと矛盾する。
• O(4) テクスチャー モデルの予測バルク速度（50 h⁻¹ Mpc スケールで約 60 km/s）は、観測された約 300 ± 100 km/s より著しく小さい。
• バイアス係数が 2〜5 であっても、宇宙線モデルは小スケールで過剰なパワーを生成するため、小スケールフラクチュエーションを抑制するためにホットダークマターの導入が求められる。