[論文レビュー] Hint of relic gravitational waves in the Planck and WMAP data

Wen Zhao, Cheng Cheng+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2014

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、低多重極（ℓ ≤ 100）のPlanck TTおよびWMAP TE宇宙背景放射（CMB）データを再分析し、残存重力波（RGWs）の探索を実施した。その結果、68%信頼区間 [0.06, 0.60] でr ≈ 0.2の顕著なヒントが得られ、スケーリング指数ns = 1.13⁺⁰.⁰⁷₋₀.⁰⁸の青傾き初期スペクトルが得られた。この結果は、複数のモデル仮定にわたって一貫しており、以前のWMAPベースの解析よりも強い証拠を示している。

ABSTRACT

Relic gravitational waves (RGWs) leave well-understood imprints on the anisotropies in the temperature and polarization of cosmic microwave background (CMB) radiation. In the TT and TE information channels, which have been well observed by WMAP and Planck missions, RGWs compete with density perturbations mainly at low multipoles. It is dangerous to include high-multipole CMB data in the search for gravitational waves, as the spectral indices may not be constants. In this paper, we repeat our previous work [W.Zhao & L.P.Grishchuk, Phys.Rev.D {\bf 82}, 123008 (2010)] by utilizing the Planck TT and WMAP TE data in the low-multipole range $\ell\le100$. We find that our previous result is confirmed {with higher confidence}. The constraint on the tensor-to-scalar ratio from Planck TT and WMAP TE data is $r\in [0.06,~0.60]$ (68% C.L.) with the maximum likelihood at around $r\sim 0.2$. Correspondingly, the spectral index at the pivot wavenumber $k_*=0.002$Mpc$^{-1}$ is $n_s=1.13^{+0.07}_{-0.08}$, which is larger than 1 at more than $1σ$ level. So, we conclude that the new released CMB data indicate a stronger hint for the RGWs with the amplitude $r\sim 0.2$, which is hopeful to be confirmed by the imminent BICEP and Planck polarization data.

研究の動機と目的

• 最新のPlanckおよびWMAP CMBデータにおける残存重力波（RGWs）の証拠を再評価すること。特に、RGWsと密度揺らぎが競合する低多重極領域に焦点を当てる。
• 高精度なPlanck TTおよびWMAP TEデータを用いて、以前のWMAPデータで観測されたRGWsのヒントが低ℓ領域でも保持されるかどうかを検証すること。
• 初期密度揺らぎのスペクトル指数nsが1より顕著に大きい（青傾きスペクトルを示す）かどうかを、1σ信頼水準以上で評価すること。
• テンソルスペクトル指数ntに関する異なる仮定（nt = 0およびnt = ns − 1）の下でも、結果の頑健性を評価すること。
• Planckデータの組み込みが、以前のWMAPデータでのRGWsの兆候を強化するかどうかを確認すること。

提案手法

• 分析は、RGWsと密度揺らぎの寄与が最も近い低多重極範囲ℓ ≤ 100に限定される。
• 背景パラメータは、Planckの最良適合ΛCDM値（Ωbh² = 0.022032、Ωch² = 0.12038、100θMC = 1.04119、τ = 0.0925）に固定され、CosmoMC数値パッケージを用いて宇宙論的パラメータを制約する。
• 自由パラメータは、ピボット波数k* = 0.002 Mpc⁻¹で評価されるスカラー振幅ln(10¹⁰As)、スカラースペクトル指数ns、およびテンソル対スカラー比rである。
• 3つのケースを検討する：ケースI（慢降下インフレーションから導かれるnt = −r/8）、ケースII（nt = 0）、ケースIII（パワー法則インフレーションから導かれるnt = ns − 1）とし、テンソルスペクトル指数の仮定に依存する感度をテストする。
• rおよびnsの信頼区間と最尤値を求めるために、1次元のマージナル化尤度関数を計算・分析する。
• rとnsの推定値に影響を及ぼす可能性のある、定数スペクトル指数を仮定した場合のデグレーダシーを避けるため、高多重極データは除外する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新しいPlanck TTおよびWMAP TEデータ（低多重極、ℓ ≤ 100）は、以前のWMAPベースの解析よりも、残存重力波の証拠を強く示しているか？
• RQ2 非ゼロのテンソル対スカラー比を想定する文脈において、初期密度揺らぎのスペクトル指数nsが1より顕著に大きい（青傾きスペクトルを示す）とされるか？
• RQ3 テンソルスペクトル指数ntに関する異なる仮定に対するrおよびnsの制約は、どれほど頑健か？
• RQ4 Planckデータの組み込みにより、WMAP単独の結果に比べてRGW信号の有意水準が向上するか？
• RQ5 データはr > 0を1σ信頼水準以上で支持するか？その最尤値は何か？

主な発見

• Planck TTおよびWMAP TEデータ（低多重極、ℓ ≤ 100）から、テンソル対スカラー比rの68%信頼区間は[0.06, 0.60]であり、最尤値はr ≈ 0.20である。
• スカラースペクトル指数は、ピボット波数k* = 0.002 Mpc⁻¹でns = 1.13⁺⁰.⁰⁷₋₀.⁰⁸に制約され、1σ信頼水準を超えて1より大きい。
• テンソルスペクトル指数ntに関する異なる仮定（ケースI：nt = −r/8、ケースII：nt = 0、ケースIII：nt = ns − 1）の下でも、rおよびnsの制約は一貫しており、頑健である。
• rの1次元尤度関数は、r ≈ 0.3付近に顕著なピークを示し、r = 0は1σ信頼水準を超えて除外される。これは非ゼロのRGW信号を示唆している。
• ns > 1が1σ水準を超えて成立することは、初期スペクトルが青傾きであることを示し、これは低ℓ領域におけるRGW寄与の主要な特徴である。
• これらの結果は、以前のWMAPデータからの兆候を確認・強化しており、Planckによるデータ品質の向上に起因して、より高い信頼性を得ている。