[論文レビュー] Gravitational waves from inflation

Maria Chiara Guzzetti, Nicola Bartolo+2 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2016

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 348被引用数 173

ひとこと要約

インフレーション中に生成された原始的重力波の包括的なレビューで、真空源と非真空源、再加熱、修正重力理論、観測の展望を含む。

ABSTRACT

The production of a stochastic background of gravitational waves is a fundamental prediction of any cosmological inflationary model. The features of such a signal encode unique information about the physics of the Early Universe and beyond, thus representing an exciting, powerful window on the origin and evolution of the Universe. We review the main mechanisms of gravitational-wave production, ranging from quantum fluctuations of the gravitational field to other mechanisms that can take place during or after inflation. These include e.g. gravitational waves generated as a consequence of extra particle production during inflation, or during the (p)reheating phase. Gravitational waves produced in inflation scenarios based on modified gravity theories and second-order gravitational waves are also considered. For each analyzed case, the expected power-spectrum is given. We discuss the discriminating power among different models, associated with the validity/violation of the standard consistency relation between tensor-to-scalar ratio $r$ and tensor spectral index $n_{\rm T}$. In light of the prospects for (directly/indirectly) detecting primordial gravitational waves, we give the expected present-day gravitational radiation spectral energy-density, highlighting the main characteristics imprinted by the cosmic thermal history, and we outline the signatures left by gravitational waves on the Cosmic Microwave Background and some imprints in the Large-Scale Structure of the Universe. Finally, current bounds and prospects of detection for inflationary gravitational waves are summarized.

研究の動機と目的

• インフレーションが重力波の確率的背景をどのように生成するかを要約し、それが初期宇宙物理学の重要な探査手段である理由。
• インフレーション中またはインフレーション後に重力波を生み出す主な機構を概説する（量子真空ゆらぎ、粒子生成、再加熱を含む）。
• 重力波信号が再加熱、修正重力、宇宙の熱史についての情報をどのように符号化し、CMBおよびLSSにどのように痕跡を残すかを論じる。
• 原始的な重力波に関する現在の観測境界と今後の検出展望を概説する。
• テンソル対スカラー比 r の役割とテンソルスペクトル指数 n_T との整合性関係をモデル識別子として強調する。

提案手法

• 標準的な単一場慢ロールインフレーションの枠組みを提示し、テンソル摂動の進化方程式とそのパワースペクトルを導出する（2.3.1）。
• 整合関係 r = -8 n_T とインフレーションモデルへの含意を議論する（セクション 2.3.2）。
• 二次およびポストインフレーション（再加熱）由来の重力波源をカタログ化する（セクション 3–4）。
• 修正重力理論と一般化 G-インフレーションにおける重力波生成を調査する（セクション 5）。
• 重力波スペクトルを熱史とCMB/LSSシグネチャーに結びつける（セクション 9–10）。
• 現在の境界と今後の観測展望を要約する（セション 11）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的な単一場慢ロールインフレーションにおける予測される primordial GW スペクトルは何か、観測的にどのように区別できるか。
• RQ2 インフレーション中またはその後に原始的なGWsを生成または強化する代替機構（二次、粒子生成、再加熱、修正重力）は何で、それらのスペクトルはどう異なるか。
• RQ3 再加熱と熱史は現在のGWエネルギー密度とCMB/LSS観測量にどのような痕跡を残すか。
• RQ4 標準的な整合関係 r = -8 n_T が非標準のインフレーションシナリオでどの条件下で破れたり変化したりするのか。
• RQ5 rと原始的なGWsに関する現在の観測境界は何で、今後の実験での検出展望はどうか。

主な発見

• 標準的な単一場慢ロールインフレーションはほぼスペクトルがスケール不変に近いテンソルスペクトルを予測し、rは現在のデータで制約される（r < 0.07 at 95% C.L. for k* = 0.05 Mpc^-1）。
• 温度データを除外すると、95% C.L.で r < 0.09 は現代の Omega_GW ~ 10^-15 を f ~ 10^-17 Hz で与える。
• インフレーション中や再加熱中の追加的な粒子生成、そして修正重力シナリオから追加の重力波背景が生じうる。
• スカラ摂動により供給される二次的GWsは確率背景へ寄与し、源となる機構（キュルテイン、スペクテータ場など）に依存して特徴が現れる。
• 再加熱/プレ加熱は顕著なGW信号を生成し、特定のプレ加熱機序（パラメトリック共振、ターコーン的プレ加熱）と結びつく特徴を持つ。
• 観測痕跡にはCMBのBモード偏光や、一部のスペクトルに対する将来の実験での直接検出可能性が挙げられる。