[論文レビュー] Lectures on Modern Cosmology and Structure Formation

O. J. P. Éboli, V. Ribelles|arXiv (Cornell University)|May 22, 1993

History and Developments in Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、宇宙の大型構造の起源を量子揺らぎが重力によって増幅されることで説明する3つの代表的な宇宙論的モデル—インフレーション宇宙論、宇宙ひも、グローバル・テクスチャー—について包括的なレビューを提供する。各モデルが異なるマイクロ波背景不均一性のパターンを予測する仕組みを分析し、COBEの発見が初期の支援をもたらしたが、現在のデータではそれらを区別することはまだできない。

ABSTRACT

Focus of these lectures is the challenge of explaining the origin of structure in the Universe. The interplay between quantum field theory and classical general relativity has given rise to several interesting cosmological models which contain mechanisms for generating density inhomogeneities. The three theories discussed here are the inflationary Universe, the cosmic string and the global texture models. The recent COBE discovery of anisotropies in the microwave background has provided some support for all three models. The present results do not allow a distinction between these models. Statistics which distinguish between the predictions of the three theories are discussed.

研究の動機と目的

• 宇宙構造の起源を説明する3つの主要モデル（インフレーション、宇宙ひも、グローバル・テクスチャー）の理論的基盤を検討すること。
• 最近のCOBEによる宇宙マイクロ波背景不均一性の検出を踏まえて、これらのモデルの妥当性を評価すること。
• 3つのモデルの予測を区別するための統計的観測量を特定すること。
• 第7回スヴィエチャ・サマースクールに参加する研究者を対象に、宇宙論的文脈における量子場の理論と一般相対性理論の教育的概説を提供すること。
• 競合する構造形成メカニズムの今後の観測的区別に土台を築くこと。

提案手法

• 曲がった時空における量子場の理論を分析し、初期宇宙における初期密度揺らぎを導出する。
• 線形摂動理論を適用して、初期の不均一性が大規模構造へと進化する過程を計算する。
• サックス＝ホルの効果を用いて、初期のポテンシャル揺らぎを宇宙マイクロ波背景不均一性に関連付ける。
• 各モデル（インフレーション、宇宙ひも、グローバル・テクスチャー）が予測する温度揺らぎの角スペクトルを比較する。
• multipoleモーメントと相関関数に焦点を当て、予測された不均一性パターンの統計的性質を評価する。
• COBE衛星からの観測的制約、特に大規模なマイクロ波背景不均一性の最初の検出をレビューする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期宇宙における量子揺らぎが、インフレーション、宇宙ひも、またはグローバル・テクスチャーを通じてどのように観測可能な大規模構造を生じさせるのか？
• RQ2 3つのモデルがそれぞれ予測する宇宙マイクロ波背景不均一性における特徴的な統計的シグネチャーは何か？
• RQ3 COBEの観測結果が、インフレーション、宇宙ひも、グローバル・テクスチャーの各モデルの予測をどの程度支持しているか？
• RQ4 マイクロ波背景データに基づいて、3つのモデルを最も効果的に区別できる統計的観測量は何か？
• RQ5 これらの競合する構造形成メカニズムを区別する上で、理論的および観測的限界は何か？

主な発見

• COBE衛星による大規模なマイクロ波背景不均一性の検出は、宇宙インフレーション、宇宙ひも、グローバル・テクスチャーの3つのモデルすべてを支持する観測的根拠を提供している。
• 各モデルは、特に低multipole領域において、特徴的な異なる角スペクトルを予測している。
• インフレーションは、COBEが観測した正規化と整合的な、ほぼスケール不変な初期揺らぎスペクトルを予測する。
• 宇宙ひもとグローバル・テクスチャーは、インフレーションとは異なり、非ガウス型の特徴と異なるべき乗則的挙動を示す角スペクトルを生じる。
• COBEの結果にもかかわらず、現在のデータでは角分解能と信号対雑音比の制限により、3つのモデルを明確に区別することはできない。
• 本論文は、相関関数やバイスペクトルといった特定の統計的ツールが、より高精度のデータを用いることでモデルを区別できる可能性を同定している。