[논문 리뷰] Suppression of scalar power on large scales and associated bispectra

H. V. Ragavendra, Debika Chowdhury외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 02.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 67인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 거대 천체 스케일에서 스칼라 힘을 억제하는 인플레이션 모델을 조사하며, 운동 에너지가 지배하는 초기 조건, 파장이 끊어지는 인플레이션, 스타로브스키 유형의 모델을 비교한다. 이러한 모델들은 유사한 거대 스케일 파wer 스펙트럼을 생성하지만, 스칼라 비스펙트럼과 비정규성 파ram터($f_{\mathrm{NL}}$)는 상당히 다름을 발견한다. 특히 운동 에너지가 지배하는 모델에서는 거대 스케일 모드에서 일致성 관계가 위반되며, 이는 이들 사이의 관측적 구분 기준이 될 수 있다.

ABSTRACT

[Abridged] A sharp cut-off in the primordial scalar power spectrum on large scales has been known to improve the fit to the cosmic microwave background (CMB) data when compared to the more standard, nearly scale invariant power spectrum that arises in slow roll inflation. In an earlier work, we had numerically investigated the characteristics of the scalar bispectrum generated in models with kinetically dominated initial conditions. In this work, we compare the scenario with two other competing scenarios (viz. punctuated inflation and a model due to Starobinsky) which also suppress the scalar power in a roughly similar fashion on large scales. We further consider two other scenarios involving inflation of a finite duration, one wherein the scalar field begins on the inflationary attractor and another wherein the field starts with a smaller velocity and evolves towards the attractor. These scenarios too exhibit a sharp drop in power on large scales if the initial conditions on the perturbations for a range of modes are imposed on super-Hubble scales as in the kinetically dominated model. We compare the performance of all the models against the Planck CMB data at the level of power spectra. We also compare the amplitudes and shapes of the scalar non-Gaussianity parameter $f_{_{ m NL}}$ in all these cases which lead to scalar power spectra of similar form. Interestingly, we find that, in the models wherein the initial conditions on the perturbations are imposed on super-Hubble scales, the consistency relation governing the scalar bispectrum is violated for the large scale modes, whereas the relation is satisfied for all the modes in the other scenarios. These differences in the behavior of the scalar bispectra can conceivably help us observationally discriminate between the various models which lead to scalar power spectra of roughly similar shape.

연구 동기 및 목표

• 운동 에너지가 지배하는 초기 조건을 가진 모델이 CMB 데이터에 적합하면서도 거대 스케일에서 스칼라 힘을 억제할 수 있는지 조사하기 위해.
• 이러한 모델이 플랑크 CMB 데이터에 적합한 정도를 파장이 끊어지는 인플레이션과 스타로브스키 유형 모델과 비교하기 위해.
• 특히 쐐기 근처에서의 스칼라 비스펙트럼과 비정규성 파라미터 $f_{\mathrm{NL}}$를 분석하기 위해.
• 유사한 파워 스펙트럼을 가진 모델들 사이에서 비스펙트럼 행동의 차이—특히 일치성 관계 위반—이 어떻게 모델을 구별할 수 있는지 판단하기 위해.
• 이러한 모델이 허블 파라미터 $H_0$에 미치는 영향과 허블 긴장 문제에 대한 함의를 평가하기 위해.

제안 방법

• 스칼라 편차의 세 번째 차수 행동식을 사용하여 스칼라 비스펙트럼을 수치적으로 계산하고, 부피 기여와 경계 기여를 분리하기 위해.
• 운동 에너지가 지배하는 모델에서 스케일이 허블보다 큰 영역에서 편차의 초기 조건을 구현하며, 다른 모델에서의 하위-허블 브룬-데이비스 조건과 대비하기 위해.
• 운동 에너지가 지배하는 모델, 파장이 끊어지는 인플레이션, 스타로브스키 모델, 그리고 흡인자 또는 비흡인자 초기 조건을 가진 유한 기간 인플레이션을 포함한 여러 모델 간의 스칼라 파wer 스펙트럼과 $f_{\mathrm{NL}}$를 비교하기 위해.
• 플랑크 CMB 데이터를 통해 인플레이션 파ram터($\Lambda$, $m$, $N_*$)와 천체 물리학적 파ram터($\Omega_b h^2$, $\Omega_c h^2$, $\theta$, $\tau$, $H_0$)를 제약하기 위해 최대 우도 후행 분포를 사용하기 위해.
• 다양한 모델에서 쐐기 근처에서 스칼라 비스펙트럼의 일치성 관계를 분석하고, 운동 에너지가 지배하는 경우에서의 위반을 확인하기 위해.
• 특정 포텐셜 사용: $V(\phi) = \mu^3[\phi + b\phi_0 \cos(\phi/\phi_0)]$와 기울기가 급격히 변화하는 선형 포텐셜을 사용하여 다양한 인플레이션 역학을 모델링하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 운동 에너지가 지배하는 초기 조건을 가진 모델이 표준 느린 로우 인플레이션에 비해 저-멀티폴의 CMB 이질성에 더 잘 맞는다면, 거대 스케일에서 스칼라 힘을 억제하는가?
• RQ2 운동 에너지가 지배하는 모델과 파장이 끊어지는 인플레이션 및 스타로브스키 모델 등 다른 시나리오 간의 스칼라 비스펙트럼과 비정규성 파라미터($f_{\mathrm{NL}}$)는 어떻게 다를까?
• RQ3 운동 에너지가 지배하는 모델에서 거대 스케일에서 스칼라 비스펙트럼의 일치성 관계가 위반되는가? 만약 그렇다면 그 이유는 무엇인가?
• RQ4 유사한 거대 스케일 파워 스펙트럼을 가진 모델들 사이에서, 쐐기 근처에서의 $f_{\mathrm{NL}}$의 형태와 진폭이 어떻게 모델을 구별할 수 있는가?
• RQ5 이러한 모델이 허블 파라미터 $H_0$에 어떤 영향을 미치며, 허블 긴장 문제를 완화하거나 악화시키는가?

주요 결과

• 운동 에너지가 지배하는 초기 조건을 가진 모델은 거대 스케일에서 스칼라 힘을 급격히 억제하며, 거의 스케일 인variant 스펙트럼에 비해 저-멀티폴 CMB 이질성에 더 잘 맞는다.
• 유사한 거대 스케일 파워 스펙트럼 형태를 가짐에도 불구하고, 스칼라 비스펙트럼과 $f_{\mathrm{NL}}$ 값은 모델 간에 상당히 다름을 보이며, 특히 쐐기 근처에서 두드러진다.
• 운동 에너지가 지배하는 모델에서는 제3차 행동식에서 경계 기여가 지배하기 때문에, 거대 스케일 모드에서 스칼라 비스펙트럼의 일치성 관계가 위반되며, 다른 시나리오에서는 이 관계가 유지된다.
• 운동 에너지가 지배하는 모델에서 비정규성 파라미터 $f_{\mathrm{NL}}$는 거대 스케일에서는 일치 조건이 위반되지만, 소규모 스케일에서는 복귀하는 특성 있는 행동을 보인다.
• 스칼라 장이 항상 흡인자 상태에 있는 모델은 파워 스펙트럼과 비스펙트럼을 해석적으로 계산할 수 있어 비교의 기준점이 된다.
• 파장이 끊어지는 인플레이션 모델에서 추정한 허블 파라미터 $H_0$는 표준 플랑크 모델보다 略적으로 낮으며, 이는 허블 긴장을 악화시킬 수 있다. 반면 다른 모델들은 표준 값에 더 가깝게 일치한다.