[논문 리뷰] Beyond the Simplest Inflationary Cosmological Models

Alexei A. Starobinsky|arXiv (Cornell University)|1998. 11. 23.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 간단한 인플레이션 모델을 확장하여 두 가지 새로운 우주론적 시나리오를 탐구한다: (1) 우주적 거리 및 각지름 측정을 통해 인플라톤 포텐셜을 제약할 수 있는 지속적인 인플레이션 유사 단계의 가능성; (2) 인플레이션의 끝 부근에서의 빠른 상전이로 인해 발생할 수 있는 초기 스펙트럼에 국소화된 특징을 가진 스케일 불변성이 깨진 모델. 주요 기여는 이러한 특징을 탐지하는 데 가장 유망한 척도로 $k = 0.05\, h\,\text{Mpc}^{-1}$ 를 규명한 데 있다.

ABSTRACT

Though predictions of the simplest inflationary cosmological models with cold dark matter, flat space and approximately flat initial spectrum of adiabatic perturbations are remarkably close to observational data, we have to go beyond them and to introduce new physics not yet discovered in laboratories to account for all data. Two extensions of these models which seem to be the most actual at present time are discussed. The first one is the possibility that we are living at the beginning of a new inflation-like era. Then classical cosmological tests, like the luminosity distance or the angular size of distant objects as functions of redshift, as well as the behaviour of density perturbations in a dustlike matter component including baryons as a function of redshift, can provide information sufficient for the unambiguous determination of an effective potential of a corresponding present inflaton scalar field. The second, unrelated extension is a possibility of broken-scale-invariant cosmological models which have localized steps or spikes in the primordial perturbation spectrum. These features can be produced by fast phase transitions in physical fields other than an inflaton field in the early Universe during inflation and not far from the end of it. At present, it seems that the only scale in the spectrum around which we might see something of this type is $k=0.05 h Mpc^{-1}$.

연구 동기 및 목표

• 냉암흑물질, 평탄한 기하학, 거의 척도 불변 스펙트럼을 가진 가장 단순한 인플레이션 모델의 한계를 다루기 위해, 이는 관측 데이터와 일치하지만 모든 관측을 완전히 설명하지 못함.
• 현재 우리가 새로운 인플레이션 유사 시대의 시작 단계에 있을 수 있다는 가능성에 대해 탐구하며, 이는 고전적 우주론적 시험을 통해 탐지될 수 있음.
• 국소화된 단계나 피크를 생성하는 스케일 불변성이 깨진 모델의 영향을 검토하기 위해.
• 인플라톤을 제외한 다른 필드에서의 빠른 상전이가 인플레이션의 끝 부근에서 이러한 특징을 유도할 수 있는지 조사하기 위해.
• 현재 및 향후 관측 데이터에서 이러한 특징을 탐지하기에 가장 유망한 척도—$k = 0.05\, h\,\text{Mpc}^{-1}$—를 규명하기 위해.

제안 방법

• 현재의 인플라톤 유사 스칼라 필드의 효과적 포텐셜을 제약하기 위해 적색편이의 함수로 나타나는 고전적 우주론적 거리 및 각지름 관계를 분석한다.
• 먼저 우주에서의 인플레이션 지속 중에 먼지 유사 물질 성분(바리온 포함)의 적색편이 진화를 연구하기 위해 펌베이션 이론을 적용한다.
• 초기 밀도 편미분 스펙트럼에 국소화된 단계나 피크를 도입하는 스케일 불변성이 깨진 모델을 고려한다.
• 인플레이션의 마지막 단계 또는 그 부근에서 비인플라톤 필드의 빠른 상전이를 모델링하기 위해 효과적 장 이론의 논리를 적용한다.
• 특징이 관측 가능한 척도에서 나타나는 조건을 유도하며, 특히 $k = 0.05\, h\,\text{Mpc}^{-1}$ 척도에 집중한다.
• 특히 대규모 구조 및 CMB 이방성의 관측 데이터를 통해 이러한 특징의 탐지 가능성 평가

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 시대의 우주적 거리 및 각지름 측정이 새로운 인플레이션 유사 시대에 존재할 경우, 현재의 인플라톤 유사 스칼라 필드의 효과적 포텐셜을 명확하게 제약할 수 있는가?
• RQ2 비인플라톤 필드의 빠른 상전이로 인해 초기 스펙트럼에 국소화된 단계나 피크가 발생할 경우, 관측에 어떤 서명이 나타날 수 있는가?
• RQ3 현재 관측 감도 수준에서 이러한 특징을 가장 잘 탐지할 수 있는 초기 스펙트럼 내 특정 척도는 무엇인가?
• RQ4 지속적인 인플레이션을 가진 모델에서 먼지 유사 물질 성분의 밀도 편미분 역학은 표준 냉암흑물질 모델과 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ5 인플레이션의 마지막 단계 또는 그 부근에서 인플라톤 필드에 관여하지 않는 다른 물리적 메커니즘이 초기 스펙트럼에 국소화된 특징을 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 고전적 우주론적 시험—적색편이의 함수로 나타나는 광도 거리 및 각지름—는 우리가 새로운 인플레이션 유사 시대에 있을 경우, 현재의 인플라톤 유사 스칼라 필드의 효과적 포텐셜을 유일하게 결정할 수 있다.
• 국소화된 특징, 예를 들어 단계나 피크는 인플라톤을 제외한 다른 필드에서의 빠른 상전이에 의해 생성될 수 있으며, 특히 인플레이션의 끝 부근에서 그러한 현상이 발생할 수 있다.
• 관측 가능한 초기 스펙트럼에서 이러한 특징을 탐지하기에 가장 유망한 척도로 $k = 0.05\, h\,\text{Mpc}^{-1}$ 가 규명되었다.
• 이러한 특징의 존재는 인플라톤 부문에 새로운 물리학이 필요하지 않으며, 인플레이션의 마지막 단계에서 다른 스칼라 필드의 역학에 의해 유도될 수 있다.
• 이 모델은 $k = 0.05\, h\,\text{Mpc}^{-1}$ 에서의 관측 데이터가 표준 인플레이션 모델과 스케일 불변성이 깨지고 국소화된 스펙트럼 특징을 가진 모델을 구분하는 데 기여할 수 있음을 시사한다.