[논문 리뷰] Gravitational waves from inflation

Maria Chiara Guzzetti, Nicola Bartolo외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 05.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 348인용 수 173

한 줄 요약

인플레이션 동안 생성된 원시 중력파에 대한 포괄적 리뷰로, 진공 및 비진공 소스, 재가열, 수정 중력 시나리오, 관측 전망을 포함한다.

ABSTRACT

The production of a stochastic background of gravitational waves is a fundamental prediction of any cosmological inflationary model. The features of such a signal encode unique information about the physics of the Early Universe and beyond, thus representing an exciting, powerful window on the origin and evolution of the Universe. We review the main mechanisms of gravitational-wave production, ranging from quantum fluctuations of the gravitational field to other mechanisms that can take place during or after inflation. These include e.g. gravitational waves generated as a consequence of extra particle production during inflation, or during the (p)reheating phase. Gravitational waves produced in inflation scenarios based on modified gravity theories and second-order gravitational waves are also considered. For each analyzed case, the expected power-spectrum is given. We discuss the discriminating power among different models, associated with the validity/violation of the standard consistency relation between tensor-to-scalar ratio $r$ and tensor spectral index $n_{ m T}$. In light of the prospects for (directly/indirectly) detecting primordial gravitational waves, we give the expected present-day gravitational radiation spectral energy-density, highlighting the main characteristics imprinted by the cosmic thermal history, and we outline the signatures left by gravitational waves on the Cosmic Microwave Background and some imprints in the Large-Scale Structure of the Universe. Finally, current bounds and prospects of detection for inflationary gravitational waves are summarized.

연구 동기 및 목표

• 인플레이션이 어떻게 확률적 중력파 배경을 생성하는지 요약하고, 그것이 초기 우주 물리학의 중요한 탐헌이 되는 이유를 설명한다.
• 인플레이션 중 또는 이후에 중력파를 생성하는 주요 메커니즘을 개요한다. 양자 진공 요동, 입자 생산, 재가열 등을 포함한다.
• 중력파 신호가 재가열, 수정 중력, 우주의 열적 역사에 대한 정보를 어떻게 인코딩하고, 그것이 CMB와 LSS에 어떻게 흔적을 남기는지 논의한다.
• 원시 중력파에 대한 현행 관측 경계와 미래 탐지 전망을 검토한다.
• 모형 판별 변수로 텐서-스칼라 비율 r과 텐서 스펙트럴 지수 n_T와의 일치 관계를 강조한다.

제안 방법

• 표준 단일-필드 느린 롤 인플레이션 프레임워크를 제시하고 텐서 섭동의 진화 방정식과 그 파워 스펙트럼을 유도한다(2.3.1).
• 일관성 관계 r = -8 n_T 및 이것이 인플레이션 모델에 주는 함의에 대해 논한다(섹션 2.3.2).
• 2차 및 인플레이션 이후(재가열) 소스의 GWs를 분류한다(섹션 3–4).
• 수정 중력 이론 및 일반화된 G-인플레이션에서의 GW 생성 조사(섹션 5).
• GW 스펙트럼을 열역사 및 CMB/LSS 신호와 연계한다(섹션 9–10).
• 현행 경계와 미래 관측 전망을 요약한다(섹션 11).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 단일-필드 느린 롤 인플레이션에서 예측되는 원시 GW 스펙트럼은 무엇이며, 어떻게 관측적으로 구별할 수 있는가?
• RQ2 인플레이션 중 또는 이후에 원시 GWs를 생성하거나 강화할 수 있는 대체 메커니즘(2차, 입자 생산, 재가열, 수정 중력)은 무엇이며, 이들의 스펙트럼은 어떻게 다른가?
• RQ3 재가열과 열역사는 현재의 GW 에너지 밀도 및 CMB/LSS 관측치에 어떻게 흔적을 남기는가?
• RQ4 비표준 인플레이션 시나리오에서 표준 일관성 관계 r = -8 n_T가 어떻게 위배되거나 바뀔 수 있는 조건은 무엇인가?
• RQ5 r과 원시 중력파에 대한 현행 관측 경BOUND은 무엇이며, 다가오는 실험에서의 탐지 전망은 어떤가?

주요 결과

• 표준 단일-필드 느린 롤 인플레이션은 거의 스케일 불변의 텐서 스펙트럼을 예측하고, r은 현재 데이터에 의해 제약된다 (k* = 0.05 Mpc^-1에서 95% C.L.로 r < 0.07).
• 온도 데이터 제외 시, 95% C.L.에서 r < 0.09는 현재 Omega_GW가 약 10^-15이며 주파수 f ≈ 10^-17 Hz 부근에서.
• 인플레이션 중 또는 재가열 중 추가적인 입자 생산 및 수정 중력 시나리오로부터도 추가적인 GW 배경이 발생한다.
• 스칼라 섭동에 의해 소스된 2차 GW는 확률적 배경에 기여할 수 있으며, 서싱 메커니즘(커루타온, 관측자장 등)에 따라 서명이 달라진다.
• 재가열/초가열은 특정 재가열 메커니즘(매개변수 공명, 타키오닉 재가열 등)과 연계된 특징을 가지며 중요한 GW 신호를 생성할 수 있다.
• 관측적 흔적으로는 CMB의 B-mode 편광과 앞으로의 실험에서 특정 스펙트럼에 대한 직접 탐지 가능성 등이 포함된다.