[論文レビュー] String Gas Cosmology and Non-Gaussianities

Bin Chen, Yi Wang+2 more|ArXiv.org|Dec 14, 2007

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 31被引用数 16

ひとこと要約

この論文は、インフレーションの代替としてのストリングガス宇宙論（SGC）における非ガウス性を計算している。SGCは、熱的ストリング揺動のハーゲルドン相に依存することで、デ de Sitter 相を回避する。非ガウス性 $f_{\rm NL}$ は波数 $k$ に線形に増加し、ストリングスケールに強く依存する。観測可能なレベルの非ガウス性が得られるのは、ストリングスケールがテルミックスケール（TeV）に近い場合に限るが、その場合、観測されたパワー スペクトルと整合させるためにハーゲルドン温度を微調整する必要がある。

ABSTRACT

Recently it has been shown that string gas cosmology, an alternative model of the very early universe which does not involve a period of cosmological inflation, can give rise to an almost scale invariant spectrum of metric perturbations. Here we calculate the non-Gaussianities of the spectrum of cosmological fluctuations in string gas cosmology, and find that these non-Gaussianities depend linearly on the wave number and that their amplitude depends sensitively on the string scale. If the string scale is at the TeV scale, string gas cosmology could lead to observable non-Gaussianities, if it is close to the Planck scale, then the non-Gaussianities on current cosmological scales are negligible.

研究の動機と目的

• ストリングガス宇宙論（SGC）における非ガウス性パラメータ $f_{\rm NL}$ を計算すること。SGCは、初期宇宙モデルにおけるインフレーションの代替である。
• 将来の宇宙論的実験で検出可能な非ガウス性をSGCが生じる条件を特定すること。
• 非ガウス性 $f_{\rm NL}$ がストリングスケールおよびハーゲルドン相の温度にどのように依存するかを評価し、観測的制約のもとでのSGCの妥当性を検討すること。
• SGCにおける非ガウス性の形状およびスケール依存性を、標準インフレーションモデルと比較すること。

提案手法

• 研究は、ハーゲルドン相におけるストリングガス力学から導かれる熱相関関数を用いて、曲率摂動の三つ目の相関関数を計算する。
• 先行研究 [24] で開発された熱的起源の非ガウス性の形式的枠組みをSGCの文脈に適用し、T双対性対称性を持つドリンボン重力の有効作用を用いる。
• 空間的に平坦で、均一かつ等方的な計量を仮定し、ハーゲルドン相ではスケール因子とドリンボンが一定とし、ストリング理論の制約と整合する。
• ハーゲルドン相におけるスケール因子、温度、ハッブルパラメータとの関係を用いて、パワー スペクトルと非ガウス性を計算する。
• 非ガウス性推定子 $f_{\rm NL}$ は、三つ目の相関関数と二つ目の相関関数の積との比から得られ、宇宙論的摂動理論の標準的定義に従う。
• 最終的な $f_{\rm NL}$ の式は、ハッブルパラメータと温度をストリングスケールおよびプランクスケールに結びつけることで得られ、$f_{\rm NL} \sim (l_s/l_p)^2 \times 10^{-30} \times (k/k_0)$ となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ストリングガス宇宙論は、将来のCMBおよび大規模構造調査で観測可能な非ガウス性を生じるか？
• RQ2 SGCにおける $f_{\rm NL}$ の振幅およびスケール依存性は、標準インフレーションモデルと比べてどう異なるか？
• RQ3 $f_{\rm NL}$ はストリングスケールにどのように依存するか。また、どのような条件下で観測可能なレベルに達するか？
• RQ4 SGCにおける低スケールのストリングスケールが、観測されたパワー スペクトルの制約に反しない範囲で検出可能な非ガウス性をもたらすことができるか？
• RQ5 ハーゲルドン温度は、この枠組みにおける非ガウス性の振幅を決定づける上でどのような役割を果たすか？

主な発見

• ストリングガス宇宙論における非ガウス性パラメータ $f_{\rm NL}$ は、波数 $k$ に対して線形に増加し、より小さなスケールで強い非ガウス性を示す。
• $f_{\rm NL}$ の振幅はストリングスケールに強く依存する。ストリングスケールがプランクスケールにある場合、宇宙論的スケールでは非ガウス性は無視できる。
• ストリングスケールがTeVスケールにある場合、$f_{\rm NL} \sim \mathcal{O}(1)$ となり、スケール $k_0$ で観測可能になる可能性がある。
• TeVスケール程度の低ストリングスケールでは、観測されたパワー スペクトルと整合させるためにハーゲルドン温度を微調整する必要がある。
• SGCにおける $f_{\rm NL}$ の線形 $k$-依存性は、標準インフレーションモデルのほぼスケール不変な非ガウス性と対照的であり、特徴的な観測的シグネチャを提供する。
• 非ガウス性 $f_{\rm NL}$ が $k$ とともに増加することが確認されれば、低ストリングスケールを有するストリングガス宇宙論を強く支持するが、そのような状況は微調整の課題を伴う。