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

Robert Brandenberger|ArXiv.org|Nov 11, 1994

History and Developments in Astronomy参考文献 5被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、構造形成の2大理論であるインフレーションモデルとトポロジカル欠陥モデルに焦点を当て、現代宇宙論の教育的入門を提供する。初期宇宙の相転移における量子揺らぎが大規模構造を種まきし、宇宙マイクロ波背景（CMB）の非一様性を予測し、COBE や地上実験からの初期観測データと理論的予測を比較することで、スケール不変性を示す摂動と、量子的起源からの重力不安定性の枠組みを支持する増大するデータセットとの広範な整合性が得られた。

ABSTRACT

An introduction to modern cosmology is given, focusing on theories for the origin of structure in the Universe. After a brief review of the theory of growth of cosmological perturbations and a summary of some important observational results, most of the article is devoted to discussions of the inflationary Universe scenario and of topological defect models of structure formation. The final chapter is a summary of the theory of cosmic microwave background temperature fluctuations and of the current observational status.

研究の動機と目的

• 素粒子物理学と一般相対性理論の間の橋渡しとしての現代宇宙論を紹介すること。
• 初期の密度摂動が重力不安定性を経て銀河や構造形成に至る仕組みを説明すること。
• インフレーションモデルとトポロジカル欠陥モデルの理論的予測を、大規模構造およびCMB非一様性に関する観測データと比較すること。
• 初期CMB測定と大規模構造サーベイの観点から、これらのモデルの妥当性を評価すること。

提案手法

• 部分的ホライズンおよび超ホライズンスケールにおける構造成長をモデル化するため、Friedmann-Robertson-Walker計量とニュートン的・相対論的摂動理論を用いる。
• インフレーション期における真空中の揺らぎから初期密度摂動を導出するため、曲がった時空における量子場理論を適用する。
• 温度揺らぎの球面調和分解を用いてCMB非一様性を分析し、角スペクトル Cl を計算する。
• Sachs-Wolfe効果とドップラー寄与項をCMB非一様性に含め、再電離およびイオン化歴史の影響を検討する。
• n ≈ 1（スケール不変）のスペクトルの理論的予測を、COBE-DMR、テネリフェ、FIRS その他の実験からの観測データと比較する。
• トポロジカル欠陥（ストリング、テクスチャ）を分類し、非摂動的場の理論的相転移が構造形成を種まきする役割を検討する。

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は、どのようにして大規模構造を種まきする初期密度摂動を生成するか？
• RQ2 インフレーションモデルとトポロジカル欠陥モデルは、CMB非一様性スペクトルにどのような観測的特徴をもたらすか？
• RQ3 COBE や地上実験からの初期CMB測定は、スケール不変またはほぼスケール不変の初期スペクトルをどの程度支持するか？
• RQ4 なぜ宇宙定数問題は、インフレーション的および欠陥に基づく構造形成モデルの両方にとって持続的な挑戦となるのか？
• RQ5 宇宙ストリングやテクスチャなどのトポロジカル欠陥は、大スケールにおける銀河のクラスタリングおよびCMB非一様性を説明できるか？

主な発見

• COBE-DMR 実験は、7°の角度スケールでCMB温度非一様性を1.1 ± 0.2 mK で測定し、大規模CMB揺らぎの最初の信頼できる検出を達成した。
• テネリフェやFIRSといった地上実験は、5.6°および4°のスケールで非一様性を測定し、それぞれ1.7 ± 0.4 mK および1–3 mK の値を得た。これらはCOBEの結果と整合的であった。
• 理論的モデルは、スケール不変な初期スペクトル P(k) ∼ k^n で n ≈ 1 の場合、大スケールでは l²Cl ∼ l^{n-1} となると予測する。これはCMBスペクトルの観測された平坦部と一致する。
• 観測されたCMB非一様性の振幅は、インフレーションモデルとトポロジカル欠陥モデルの両方の予測と整合的であるが、後者では η ∼ 10^16 GeV における新しい物理が必要となる。
• 一部の小スケール実験と他の観測からの上限との間に乖離が認められ、CMB天の川に非ガウス的特徴が存在する可能性を示唆しており、さらなる調査が求められる。
• 限界はあるが、現在のモデル、特にインフレーションと欠陥のシナリオは、量子的起源からの重力不安定性による摂動成長を一貫した枠組みで提供している。