[論文レビュー] On initial conditions for inflationary and bouncing cosmologies

D. H. Coule|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2007

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 14被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、初期および後期宇宙論におけるスカラー場駆動型インフレーションの初期条件問題を検討し、標準的量子宇宙論が、極めて異なるエネルギースケールにおいても大規模な均一性を示すダークエネルギー場を正当化できないと主張している。低エントロピー境界条件がビannerまたは生成イベントに存在しない限り、ループ量子宇宙論ですら、持続的な後期インフレーション段階を自然に生み出すことはできないと示している。

ABSTRACT

We consider the question of deriving initial conditions for scalar fields in driving both an early and late quintessence phase. The dark energy field presents an unresolved uniformity problem. Further difficulties with initial conditions for assisted, kinetic and phantom inflation are presented. We review the use of the canonical measure and find the negative conclusions of Gibbons and Hawking can be allayed by means of a reasonable quantum cosmological input. We remark upon some attempts at incorporating inflationary schemes into cyclic and bouncing models.

研究の動機と目的

• 後期ダークエネルギー駆動型インフレーションに不可欠な大規模な均一性を示すスカラー場が、初期条件の微調整なしにどのように達成できるかという未解決問題に取り組む。
• クインテッセンス、運動的、ファントム、補助的インフレーションモデルが、後期加速の候補としてどれほど妥当であるかを評価する。
• 量子宇宙論的測度や修正重力理論が、二つの異なるインフレーション段階に一貫した初期条件を提供できるかどうかを評価する。
• 高階微分項を含む重力モデルが、安定で均一なインフレーション段階を支持する能力にどのような制限があるかを検討する。

提案手法

• 式 (1) と (2) に示されるエネルギー密度および圧力の式を用いて、FRW宇宙論におけるスカラー場のダイナミクスを分析し、運動エネルギー、勾配エネルギー、ポテンシャルエネルギーの支配的状態に注目する。
• 正準測度の議論を適用して単一段階インフレーションを予測し、合理的な量子宇宙論的入力があれば、ギブンズとトゥロクの否定的結論を緩和できることを示す。
• 初期場のずれと因果的ホライズン制約が、スカラー場がホライズンスケールの領域で均一を保てるかどうかを決定する役割を評価する。
• 後期インフレーションに先行する非インフレーション段階の影響を検討し、特に場のコherーのためのホライズン問題を明らかにする。
• 修正重力モデル（例：$1/R^n$）とそのスカラー・テンソル理論への共形同値性を検討し、安定性および初期条件の要件を評価する。
• エントロピー、時間の矢、サイクル的モデルが初期条件のパズルを解消する役割を果たす可能性を検討する。特にバウンシ宇宙論において重要である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スカラー場の1つのメカニズムで、初期インフレーション段階と後期インフレーション段階を微調整なしに説明できるか？
• RQ2 長期間の非インフレーション期間を伴うモデルでは、なぜホライズンスケールの領域におけるクインテッセンス場の均一性を正当化するのが難しいのか？
• RQ3 量子宇宙論や正準測度が、インフレーションに至る初期条件を事前に正当化できる程度はどの程度か？
• RQ4 バウンスまたは生成イベントにおける低エントロピー状態を保証するために、どのような境界条件が必要か？
• RQ5 高階微分項を含む修正重力理論は、スカラー場モデルに比べて、二重インフレーション段階をより自然に実現できるフレームワークを提供できるか？

主な発見

• 現在のホライズンスケールにおけるダークエネルギーのスカラー場の均一性は、事前のインフレーション段階または低エントロピー初期条件がなければ説明できない。
• バウンスにおける低エントロピー境界条件がなければ、ループ量子宇宙論ですら、持続的な後期インフレーション段階を自然に生み出すことはできない。
• 運動的、ファントム、補助的インフレーションモデルは、非インフレーション段階が先行する場合、より強い微調整問題に直面し、後期加速のための妥当性が低下する。
• 正準測度は、合理的な量子宇宙論的入力が与えられれば、ギブンズとトゥロクによる単一段階インフレーションに関する否定的結論を緩和できる。
• 高階微分項を含む重力モデル（例：$1/R^n$）はスカラー・テンソル理論と共形同値であるが、宇宙のノーヘア性が限定的で、不安定性の可能性がある。
• サイクル的モデルやエントロピー希釈メカニズムは、ブラックホールによるエントロピー最大化問題を解決できないため、さらなる制約がない限り、恒久的膨張やサイクル的振る舞いは説得力に欠ける。