[논문 리뷰] Adiabatic and entropy perturbations in cosmology

Chris Gordon|arXiv (Cornell University)|2001. 12. 21.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 4인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 다중장 인플레이션에서 적응 및 엔트로피 편미분을 분리하기 위해 필드 공간의 회전 형식을 개발하며, 배경 경로가 곡선일 경우 엔트로피 편미분이 큰 스케일에서 적응 모드를 유도할 수 있음을 보여준다. 예비가열 모델에서 수치적 안정성의 장점을 입증하고, CMB 자료에서 등방성 편미분 진폭과 스펙트럼 기울기 사이의 딜레마를 발견하며, 브레인 월드 우주론에서 부스러기 와일 곡률 효과로 인해 비적응 모드가 드러남을 규명한다.

ABSTRACT

This PhD thesis presents a study of the effect and generation of non-adiabatic perturbations in Cosmology. We study adiabatic (curvature) and entropy (isocurvature) perturbations produced during a period of cosmological inflation that is driven by multiple scalar fields with an arbitrary interaction potential. A local rotation in field space is performed to separate out the adiabatic and entropy modes. The resulting field equations show explicitly how on large scales entropy perturbations can source adiabatic perturbations if the background solution follows a curved trajectory in field space, and how adiabatic perturbations cannot source entropy perturbations in the long-wavelength limit. We show why one in general expects the adiabatic and entropy perturbations to be correlated at the end of inflation. Then, we consider two-field preheating after inflation, examining conditions under which entropy perturbations can alter the large-scale curvature perturbation and showing how our new formalism has advantages in numerical stability when the background solution follows a non-trivial trajectory in field space. Then we compare the latest cosmic microwave background data with theoretical predictions including correlated adiabatic and CDM isocurvature perturbations. We find that there is a degeneracy between the amplitude of correlated isocurvature perturbations and the spectral tilt. We then study perturbations in Randall-Sundrum-type brane-world cosmologies. The density perturbations generate Weyl curvature in the bulk, which in turn backreacts on the brane via stress-energy perturbations. Bulk effects produce a non-adiabatic mode, even when the matter perturbations are adiabatic, and alter the background dynamics.

연구 동기 및 목표

• 필드 공간의 회전을 이용해 다중장 인플레이션에서 적응 및 엔트로피 편미분을 분리하는 강력한 형식을 개발하기 위해.
• 배경 경로가 필드 공간에서 곡선일 경우 엔트로피 편미분이 큰 스케일에서 어떻게 적응 편미분을 유도할 수 있는지 조사하기 위해.
• 현재 자료를 사용하여 상관된 적응 및 CDM 등방성 편미분이 CMB 매개변수 추정에 어떤 영향을 미치는지 평가하기 위해.
• 브레인 월드 우주론에서 부스러기 와일 곡률으로 인한 비적응 효과와 그가 브레인에 미치는 반작용을 조사하기 위해.
• 온난한 인플레이션 프레임워크 내에서 비선형 비균일성과 감쇠 효과가 인플레이션 영역을 인과적으로 유도할 수 있는지 분석하기 위해.

제안 방법

• 다중 스칼라장 인플레이션 모델에서 적응(곡률) 및 엔트로피(등방성) 모드를 분리하기 위해 현지 필드 공간의 회전을 수행한다.
• 엔트로피 및 적응 편미분에 대한 효과적 장 방정식을 유도하며, 배경 경로가 곡선일 때에만 엔트로피가 적응 모드를 유도할 수 있음을 보여준다.
• 두 개의 상호작용이 없는 장을 포함한 더블 인플레이션 모델을 사용하여 적응 및 엔트로피 편미분 간의 상관관계를 계산하고 분석한다.
• 예비가열 시나리오에 새로운 엔트로피 진화 방정식을 적용하여, 기존의 대수적 재구성 방법에 비해 향상된 수치적 안정성을 입증한다.
• CMBFAST를 수정하여 관련된 적응 및 CDM 등방성 편미분을 포함하고, 우도우 분석을 위해 거듭제곱 의존성을 도입한다.
• 공변 접근법을 사용하여 브레인 월드 스칼라 편미분을 분석하며, 부스러기 와일 곡률이 비적응 모드를 유도하고 큰 스케일 진화를 수정함을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인플레이션 기간 동안 초스케일에서 엔트로피 편미분이 적응 편미분을 어떻게 유도할 수 있는가?
• RQ2 엔트로피 장의 효과적 질량이 인플레이션 기간 동안 엔트로피 편미분의 진폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 상관된 적응 및 CDM 등방성 편미분이 CMB 매개변수 추정에 미치는 영향은 무엇이며, 스펙트럼 기울기와의 딜레마가 존재하는가?
• RQ4 랜던-선드럼 브레인 월드 모델에서 부스러기 효과가 물질 편미분이 적응일 때조차도 비적응 모드를 어떻게 생성하는가?
• RQ5 온난한 인플레이션에서 비선형 비균일성과 감쇠 효과가 인플레이션 영역의 인과적 유도에 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 배경 경로가 필드 공간에서 곡선일 경우 엔트로피 편미분은 큰 스케일에서 적응 편미분을 유도할 수 있지만, 장기 파장 근사에서 적응 편미분은 엔트로피 편미분을 유도할 수 없다.
• 인플레이션 기간 동안 엔트로피 편미분의 진폭은 엔트로피 장의 효과적 질량에 의해 결정되며, 이 질량이 허블 파라미터를 초과할 경우 지수적 감쇠가 발생한다.
• 현재 CMB 자료는 CDM 등방성 변동이 큰 스케일에서 주요 기여를 하지 않음을 배제하지 않으며, 다소 유리하게 큰 비율을 제안하며, 등방성 편미분 진폭과 스펙트럼 기울기 사이의 딜레마가 존재한다.
• 음성(빨간색) 스펙트럼 기울기는 더 큰 등방성 기여와 호환되며, 현재 자료는 등방성 모드에서 적응 편미분 진폭의 두 배까지 가능하다는 점에서 일관성을 보인다.
• 새로운 엔트로피 진화 형식은 특히 배경이 필드 공간에서 비트ivial한 경로를 따를 경우 예비가열 시뮬레이션에서 훨씬 뛰어난 수치적 안정성을 제공한다.
• 브레인 월드 우주론에서 부스러기 와일 곡률은 비적응 모드를 유도하고 표준 큰 스케일 진화를 수정하며, 고에너지 인플레이션 기간 동안 계량 편미분을 일정하지 않게 만든다.