[論文レビュー] Principles, Progress and Problems in Inflationary Cosmology

Robert Brandenberger|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2002

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、現代宇宙論の基盤をなすインフレーション宇宙論をレビューし、初期宇宙における量子揺らぎがスカラー場駆動型インフレーションによって大規模構造を生成する仕組みを説明する。主な成功例として、CMBパワースペクトルの予測を挙げつつ、真空中エネルギーの階層問題やプランクスケールを超える物理学の必要性といった未解決の問題を指摘し、それらを解消するためのより深い枠組みとして弦理論が有効である可能性を示唆している。

ABSTRACT

Inflationary cosmology has become one of the cornerstones of modern cosmology. Inflation was the first theory within which it was possible to make predictions about the structure of the Universe on large scales, based on causal physics. The development of the inflationary Universe scenario has opened up a new and extremely promising avenue for connecting fundamental physics with experiment. This article summarizes the principles of inflationary cosmology, discusses progress in the field, focusing in particular on the mechanism by which initial quantum vacuum fluctuations develop into the seeds for the large-scale structure in the Universe, and highlights the important unsolved problems of the scenario. The case is made that new input from fundamental physics is needed in order to solve these problems, and that thus early Universe cosmology can become the testing ground for trans-Planckian physics.

研究の動機と目的

• インフレーション宇宙論の基礎的原則と、素粒子物理学と宇宙観測を結びつける役割を要約すること。
• 初期宇宙における原始的量子揺らぎが、宇宙の大規模構造の種となるメカニズムを分析すること。
• スカラー場駆動型インフレーションにおける主な未解決問題、特に真空中エネルギーの階層問題と宇宙定数問題を特定・議論すること。
• これらの問題を解消するには、とりわけ弦理論を含む新たな素粒子物理学の知見が必要であり、初期宇宙宇宙論がプランクスケールを超える物理学の実験的検証の場となるように位置づけること。
• スカラー場ポテンシャルに依存しない代替宇宙論モデル、例えばプリビッグバンやエクピロティックなシナリオを検討し、それらがスカラー場ポテンシャルに依存しない独立した解決策を提供できるかを検討すること。

提案手法

• 一般相対性理論に従う空間的に平坦で一様かつ等方的な宇宙を記述するため、Friedmann-Robertson-Walker (FRW) 度様を用いる。
• スカラー場ポテンシャルを用いてインフレーションをモデル化し、FRW方程式を用いてハッブルパラメータとエネルギー密度の時間的変化を導出する。
• de Sitter空間における真空中揺らぎから生じる原始的摂動の生成を分析し、それがスケール不変な断熱的揺らぎにどのように進化するかを示す。
• 予測された真空中エネルギー密度（観測値と比べて約62桁大きい）と測定された宇宙定数を比較することで、階層問題を評価する。
• 非摂動的効果によって平坦なポテンシャルを持つモジュリス場を提供する可能性があることから、弦理論をインフレーション実現の候補フレームワークとして検討する。特に、ブレーンワールドのシナリオがインフレーションを自然に実現する可能性を示唆する。
• スカラー場ポテンシャルを回避する代替モデル、例えばプリビッグバン宇宙論やエクピロティック宇宙論を検討し、それらが異なる力学的メカニズムによってスケール不変な断熱的揺らぎを生成することを目的としている。

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、どのようにして今日観測される大規模構造に進化するのか？
• RQ2 量子場理論から予測される真空中エネルギー密度は、観測された宇宙定数の値と比べて著しく大きすぎるが、その理由は何か？
• RQ3 スカラー場ポテンシャルの微調整を回避し、それに伴う宇宙定数問題を解消できる形でインフレーションを実現できるか？
• RQ4 弦理論は、インフレーションのより根本的な実現や、それとは異なる代替理論を提供する上で、果たす役割は何か？
• RQ5 プリビッグバンやエクピロティックなシナリオといった代替宇宙論モデルは、標準インフレーションとは観測的に区別可能な代替案を提供できるのか？

主な発見

• インフレーションは、CMBパワースペクトルのほぼスケール不変性と、量子揺らぎから生じる大規模構造の起源をうまく説明している。
• 量子場理論から予測される真空中エネルギー密度は、観測された宇宙定数と比べて約62桁大きいことが明らかとなり、これは重大な理論的問題を示している。
• スカラー場駆動型インフレーションは、微調整されたポテンシャルに依存しており、既知の物理学からこのような平坦なポテンシャルが自然に出現すると期待する根拠はない。
• 弦理論は、非摂動的効果によって平坦なポテンシャルを持つモジュリス場を提供する可能性を示しており、ブレーンワールドのシナリオはインフレーションを自然に実現する可能性を秘めている。
• プリビッグバン宇宙論やエクピロティック宇宙論といった代替モデルは、スカラー場ポテンシャルに依存せず、スケール不変な断熱的揺らぎを生成することを目的としているが、整合性や観測的妥当性の面で課題を抱えている。
• インフレーションに未解決の問題が残っていることから、初期宇宙宇宙論は、とりわけ弦理論を通じてプランクスケールを超える物理学を検証する場として機能する可能性がある。