[論文レビュー] Large scale anomalies in the CMB and non-Gaussianity in bouncing cosmologies

Iván Agulló, Dimitrios Kranas+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2020

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 107被引用数 46

ひとこと要約

本稿では、インフレーションの前段階に存在する宇宙のバンプが、スケール不変性を破り、赤方偏移増幅された非ガウス性を生成することで、CMBの大規模な異常—パワー抑制、双極子的非対称性、奇数パリティの好み—が生じると提案する。インフレーションの初期状態にバンプ由来の励起状態と非ガウス的相関が導入され、それらが一括して複数の観測異常を説明する。これは、バンプのシナリオを超える新しい物理を必要としない。

ABSTRACT

We propose that several of the anomalies that have been observed at large angular scales in the CMB have a common origin in a cosmic bounce that took place before the inflationary era. The bounce introduces a new physical scale in the problem, which breaks the almost scale invariance of inflation. As a result, the state of scalar perturbations at the onset of inflation is no longer the Bunch-Davies vacuum, but it rather contains excitations and non-Gaussianity, which are larger for infrared modes. We argue that the combined effect of these excitations and the correlations between CMB modes and longer wavelength perturbations, can account for the observed power suppression, for the dipolar asymmetry, and it can also produce a preference for odd-parity correlations. The model can also alleviate the tension in the lensing amplitude $A_L$. We adopt a phenomenological viewpoint by characterizing the model with a few free parameters, rather than restricting to specific bouncing theories. We identify the minimum set of ingredients needed for our ideas to hold, and point out examples of theories in the literature where these conditions are met.

研究の動機と目的

• CMBの大規模な異常—パワー抑制、双極子的非対称性、奇数パリティの好み—を、一つの統一的枠組み内で説明すること。
• インフレーションの前段階に存在する宇宙のバンプが、スカラー摂動の必要な非ガウス的初期状態を生成できるかどうかを調査すること。
• これらの異常は、バンプによって導入される新しいスケールがインフレーションの近似的なスケール不変性を破ることによって、共通の物理的起源を持つことの証明。
• 得られる非ガウス性が、極端なCMB特徴の観測確率を増加させ、それらの低p値を説明できることを示すこと。
• 特定のバンピング理論に依存しない最小限のパラメータセットを用いて、モデルの現象的妥当性を検証すること。

提案手法

• 宇宙のバンプがインフレーションの前段階に存在する現象論的モデルを用い、摂動の初期量子状態を変更する新しい物理的スケールを導入する。
• スペクター・モード形式を用いて、初期スケールスペクトルとバイスペクトルをモデル化し、CMB共分散行列への非ガウス的モード変調を記述する。
• 双極子球面調和（BiSH）形式を適用して、CMB統計への非ガウス的効果を符号化し、角相関関数やパリティ非対称性の計算を可能にする。
• モノポール、デュポール、クアッドリポールのモード変調を分析し、非ガウス性と観測された異常（パワー抑制やレンズ効果の振幅の不一致）を結びつける。
• 非ガウス的効果を計算する際に用いられた近似が一貫しているかを確認するための摂動的妥当性のチェックを実施する。
• モデルが機能するための最小限の理論的要件を特定し、それらを満たす既存のバンピング理論を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インフレーションの前段階に存在する宇宙のバンプが、観測されたCMBの大規模な異常を個別にではなく、一括して説明できるか？
• RQ2 バンプはインフレーションのスケール不変性をどのように破り、初期摂動における非ガウス的相関を生成するか？
• RQ3 超ホライズンモードによって誘発される非ガウス性は、観測されたパワー抑制と双極子的非対称性をどの程度説明できるか？
• RQ4 このモデルは、プランクデータで観測されたレンズ振幅ALの不一致を緩和できるか？
• RQ5 バンプがこれらの効果を生じさせるために必要な最小限の物理的条件は何か？ そして、それらを満たす既存のバンピングモデルは何か？

主な発見

• バンプはインフレーションの近似的なスケール不変性を破る新しい物理的スケールを導入し、スカラー摂動の非バッチ＝デーヴィス初期状態を生じさせる。
• バンプによって生成される非ガウス性は、極端なCMB特徴の観測確率を高め、それらのp値を増加させ、その統計的有意性を説明する。
• 赤方偏移増幅された非ガウス性に根ざした単一のメカニズムによって、パワー抑制、双極子的非対称性、奇数パリティ相関の好みが説明可能である。
• レンズ振幅の不一致（AL > 1）は、修正された初期スケールスペクトルと非ガウス的相関のおかげで緩和される。
• 摂動的展開においてモデルは一貫しており、非ガウス的効果を計算する際に用いられた解析的手法の妥当性が裏付けられる。
• このフレームワークは一般性を持ち、良好に定義されたバンプとその後のスローロールインフレーションを満たす限り、広範なバンピング宇宙論に適用可能である。