[논문 리뷰] Particle Creation in Pre-Big-Bang Cosmology: theory and observational consequences

Ruth Durrer, Kerstin E. Kunze외 1명|arXiv (Cornell University)|2000. 10. 20.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 끈 이론의 이중성에 기반한 초기 빅뱅 우주론에서 입자 생성을 조사한다. 이 모델에서는 양자 변동이 초기 구조를 생성한다. 그 결과, 텐서 모드는 관측과 부합하지 않는 $n_T = 3$의 파란 스펙트럼을 낳는다. 이는 니솔론 포텐셜에 의해 수정되지 않는 한 관측과 불일치한다. 반면, 아키온 및 전자기적 씨앗은 대규모 구조와 초기 자기장을 형성할 수 있으나, 특정 조건 하에서만 아키온이 타당한 스펙트럼을 낳는다.

ABSTRACT

We present some phenomenological aspects of the pre-big-bang cosmological model inspired by the duality properties of string theory. In particular, assuming the spatial sections of the homogeneous background geometry to be isotropic, we discuss the quantum production of perturbations of the background fields (gravitons, dilatons, moduli fields), as well as the production of particles which do not contribute to the background, which we call ``seeds''. As such we consider the cases of electromagnetic and axionic seeds. We also discuss their possible observational consequences, for example, we study whether they can provide the origin of primordial galactic magnetic fields, and whether they can generate the initial fluctuations leading to the formation of large-scale structure and the measured cosmic microwave background anisotropies. We finally analyze axion and photon production in four dimensional anisotropic pre-big-bang cosmological models.

연구 동기 및 목표

• 끈 이론의 이중성에 기반한 전-빅뱅(PBB) 우주론 모델에서 입자 생성의 현상학적 결과를 탐구하기 위해.
• 배경장의 양자 변동(중력장자, 니솔론, 모듈리)과 비배경장('씨앗')이 관측 가능한 초기 구조를 생성할 수 있는지 평가하기 위해.
• 전자기적 또는 아키온 씨앗이 초기 은하 자기장을 비롯한 대규모 구조의 기원을 설명할 수 있는지 판단하기 위해.
• PBB 모델이 관측된 우주 마이크로파 배경(CMB) 이방이성, 특히 등스케일 변동을 통해 재현할 수 있는지 평가하기 위해.
• 4차원 PBB 모델에서 이방이성의 영향이 입자 생성과 스펙트럼 결과에 미치는 영향을 분석하기 위해.

제안 방법

• 끈 이론의 저에너지 효과적 작용을 $D$ 차원에서 사용하여 니솔론, 반대칭 텐서장 $B_{\mu\nu}$ 및 물질 작용 $S_M$ 을 포함하여 우주론적 방정식을 유도한다.
• 스케일 인자 이중성과 시간 반전 대칭성을 적용하여 표준 빅뱅 해를 전-빅뱅 해로 매핑하고, 가속 팽창을 갖는다.
• 전-빅뱅 시대로의 전이 기간 동안 진공 변동의 비선형 증폭을 분석하며, 스칼라, 텐서 및 니솔론/모듈리 변동에 초점을 맞춘다.
• 전자기 및 칼브-람종 아키온과 같은 '씨앗' 장에서 기인한 두 번째 계수 에너지-모멘텀 텐서 변동을 계산하여 기하학적 영향을 평가한다.
• 온도 이방이성의 다항수 전개를 수행하여 씨앗 장이 CMB 변동에 기여하는 정도를 정량화한다.
• 등방성 및 이방성 4차원 우주론 모델을 모두 고려하며, 내부 차원 수축 속도가 변화함에 따라 질량이 없는 아키온과 광자의 에너지 스펙트럼을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전-빅뱅 모델은 CMB 관측과 부합하는 등스케일 변동 스펙트럼을 생성할 수 있는가?
• RQ2 전자기 씨앗 변동은 관측 가능한 초기 자기장을 생성하거나 CMB 이방이성에 중대한 기여를 하는가?
• RQ3 질량이 최대 100 MeV인 칼브-람종 아키온이 현재 데이터와 일치하는 평탄하거나 약간의 파란 스펙트럼을 생성할 수 있는가?
• RQ4 니솔론 포텐셜의 포함이 니솔론 및 모듈리 장 변동의 스펙트럼 지수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이방성 전-빅뱅 모델은 등방성 모델과 비교해 다른 입자 생성 스펙트럼을 낳는가?

주요 결과

• PBB 모델에서 텐서 메트릭 변동은 $n_T = 3$의 파란 기울기를 지닌 스펙트럼을 낳으며, 이는 니솔론 포텐셜에 의해 수정되지 않는 한 CMB 관측과 부합하지 않는다.
• 스칼라 변동은 일반적으로 $n = 0$의 빨간 스펙트럼을 가지며, 이는 관측과 충돌하는 과도한 대규모 비균일성을 초래한다. 이는 니솔론 포텐셜에 의해 수정되어야 한다.
• 지수형 니솔론 포텐셜을 포함할 경우, 니솔론 및 모듈리 장 변동은 등스케일 허리슨-젤도비치 스펙트럼($n = 1$)을 달성할 수 있으며, 이는 CMB 데이터와 일치한다.
• 전자기 씨앗 변동은 빨리 감쇠하는 파란 스펙트럼을 낳으며, 이는 관측 가능한 초기 자기장을 생성하는 데 효과적이지 않다. 다만 CMB 이방이성에 미미한 기여를 한다.
• 칼브-람종 아키온은 내부 차원의 수축 속도에 따라 평탄하거나 약간의 파란 스펙트럼을 낳을 수 있으며, 합리적인 가정 하에 현재 데이터와 일치하는 스펙트럼 지수를 갖는다.
• 4차원 이방성 PBB 모델에서 아키온 스펙트럼은 여전히 적외선 발산을 보이며, 아키온 스펙트럼은 물리적으로 부자연스럽게 빨간색이지만, 광자 스펙트럼은 여전히 파란색을 유지한다. 이는 등방성 경우와 동일한 근본적 문제를 반영한다.