[論文レビュー] The Matter Bounce Alternative to Inflationary Cosmology

Robert Brandenberger|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2012

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 93被引用数 85

ひとこと要約

本稿では、インフレーション宇宙論の代替として、物質支配の収縮期に量子真空中の揺らぎがハッブル半径を越えることで、ほぼスケール不変な宇宙論的揺らぎスペクトルを生成する「マター・バンス」シナリオを提案する。このモデルは、わずかに赤傾きのスケール不変な曲率パワー スペクトルを生成し、現在のCMB観測と一致するが、非ガウス性のバイスペクトル形状や、制約条件を満たすテンソル対スカラー比といった明確な観測的特徴を示す。

ABSTRACT

A bouncing cosmology with an initial matter-dominated phase of contraction during which scales which are currently probed with cosmological observations exit the Hubble radius provides a mechanism alternative to inflation for producing a nearly scale-invariant spectrum of cosmological perturbations. In this review article I first discuss the evolution of cosmological fluctuations in the matter bounce scenario, and then discuss various attempts at realizing such a scenario. Observational signatures which will allow the matter bounce to be distinguished from the inflationary paradigm are also discussed.

研究の動機と目的

• インフレーションを用いずに原始揺らぎを生成する因果的メカニズムとしてのマター・バンスのシナリオを提示・分析すること。
• 物質支配の収縮期に真空揺らぎがハッブル半径を越えることで、ほぼスケール不変な曲率揺らぎスペクトルが得られることを示すこと。
• 非ガウス性とテンソルモードの観点から、マター・バンスとインフレーションのパラダイムを区別する観測的特徴を同定すること。
• バウンス過程における異方性問題とエントロピー生成といった課題に対処すること。
• 非特異的バウンスと物質支配を実現できるUV完全なモデル、例えばSブレーンやストリングガスの実装を探索すること。

提案手法

• 物質支配の収縮期に続く放射支配の期を含む非特異的バウンスとして背景宇宙の進化をモデル化すること。
• 共動的ハッブル半径を用いて、量子揺らぎがサブハッブルスケールで発生する因果的スケールを特定すること。
• 物質支配の収縮宇宙における線形宇宙論的揺らぎを、ムカノフ＝ササキ形式を用いて進化させること。
• エントロピー生成がないと仮定し、バウンス点で連続性を保つために境界条件を適用すること。
• 曲率揺らぎのパワー スペクトルとバイスペクトルを分析し、非ガウス性と形状に関する予測を導出すること。
• 重力波スペクトルとテンソル対スカラー比をマター・バンスの文脈で検討し、CMBの制約と比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物質支配の収縮期が、インフレーションなしでほぼスケール不変な宇宙論的揺らぎスペクトルを生成できるか？
• RQ2 特にバイスペクトルとテンソルモードにおいて、マター・バンスと単純なインフレーションモデルを区別する観測的特徴は何か？
• RQ3 バウンス過程におけるエントロピー生成が、揺らぎスペクトルのスケール不変性と観測可能性に与える影響は何か？
• RQ4 ストリング理論やSブレーンモデルなどのUV完全な枠組みで、非特異的バウンシング宇宙論を実現できるか？
• RQ5 マター・バンスのシナリオにおいて、超ハッブルスケールでの曲率揺らぎの成長が非ガウス性に与える影響は何か？

主な発見

• 物質支配の収縮期にハッブル半径を越える量子真空中の揺らぎは、わずかに赤傾きのほぼスケール不変な曲率揺らぎスペクトルを自然に生成する。
• モードが放射支配の期にハッブル半径を越えると、スペクトルは大スケールで $n_s = 1$ から小スケールで $n_s = 3$ に変化し、エントロピー生成が発生すれば現在の観測制約と整合的である。
• バイスペクトルの振幅は、ゆっくり-rollパラメータに類似した量が1に近いため、1のオーダーになると予測され、インフレーションモデルとは異なる明確な形状を示す。
• 重力波スペクトルもスケール不変であり、予測されるテンソル対スカラー比は現在のCMB制約と整合的であるが、詳細な分析が必要である。
• 異方性問題は依然として主要な課題であるが、物質支配の期の前段階にエキピロティックな収縮期を導入することで解決可能である。
• サイクル的バウンシングモデルではサイクル間で揺らぎが成長することで予測可能性が失われるが、これは単一バウンスモデルやブレーンベースのエキピロティックなシナリオでは生じない。