[论文解读] Anisotropic Inflation and Cosmological Observations

Razieh Emami|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2015

Cosmology and Gravitation Theories被引用 13

一句话总结

本论文提出了一种由规范场驱动的各向异性暴胀模型，该规范场破坏共形不变性但保持规范不变性，从而在原初微扰中引入统计各向异性。通过宇宙微扰理论和广义独立宇宙形式化方法，计算了功率谱和三粒子关联函数的各向异性修正，并推导出CMB在TT、TE、TB、EB和BB关联中的独特信号——为普朗克卫星及未来CMB观测提供了可检验的预测，可能排除标准各向同性FRW模型。

ABSTRACT

Recent observations opened up a new window on the inflationary model building. As it was firstly reported by the WMAP data, there may be some indications of statistical anisotropy on the CMB map, although the statistical significance of these findings are under debate. Motivated by these observations, people begun considering new inflationary models which may lead to statistical anisotropy. The simplest possible way to construct anisotropic inflation is to introduce vector fields. During the course of this thesis, we study models of anisotropic inflation and their observational implications such as power spectrum, bispectrum etc. Firstly we build a new model, which contains the gauge field which breaks the conformal invariance while preserving the gauge invariance. We show that in these kind of models, there can be an attractor phase in the evolution of the system when the back-reaction of the gauge field becomes important in the evolution of the inflaton field. We then study the cosmological perturbation theory in these kind of models. More specifically, we calculate the anisotropic corrections due to the presence of the vector field. We then generalize the separate universe formalism to our anisotropic set up and use it in some specific examples of anisotropic inflation. Finally, we connect the primordial anisotropies to the specific examples and to CMB observations. We calculate the TT, TE, TB, EB and BB correlation in the model of charged scalar field model and look for the unique signatures that the anisotropic inflation can have on the CMB map. Any future detection of these statistical anisotropies would rule out the isotropic FRW models.

研究动机与目标

• 构建一个可行的各向异性暴胀模型，通过动力学规范场破坏共形不变性但保持规范不变性。
• 研究当反作用显著时，标量场-规范场系统中吸引子行为的特征。
• 在矢量场存在的条件下，利用宇宙微扰理论计算原初功率谱和三粒子关联函数的各向异性修正。
• 将独立宇宙形式化方法推广至各向异性暴胀模型，以分析非高斯性。
• 将理论预测与可观测的CMB关联函数（TT、TE、TB、EB、BB）联系起来，识别独特的各向异性信号。

提出的方法

• 引入与标量场耦合的规范场，破坏共形不变性但保持规范不变性，从而在暴胀期间实现各向异性动力学。
• 推导宇宙微扰的二次作用量，识别出受慢滚抑制的度规贡献和主导的物质 sector 涨落。
• 应用in-in形式化方法，计算在矢量场诱导的各向异性存在下的功率谱和三粒子关联函数。
• 将独立宇宙形式化方法推广至各向异性情形，以研究非高斯性和大尺度结构形成。
• 在带电标量场模型中计算CMB关联函数（TT、TE、TB、EB、BB）的角功率谱，以提取统计各向异性的可观测印记。
• 利用球谐函数求和规则和Wigner 3j符号恒等式，简化角依赖性，并提取CMB功率谱中与L相关的调制。

实验结果

研究问题

• RQ1 规范场模型是否能在保持规范不变性的同时破坏共形不变性，并在暴胀中支持吸引子相？
• RQ2 在矢量场驱动的各向异性暴胀中，原初功率谱和三粒子关联函数的主要各向异性修正为何？
• RQ3 统计各向异性在此模型中如何体现在CMB关联函数（TT、TE、TB、EB、BB）中？
• RQ4 独立宇宙形式化方法能否被一致地推广至各向异性暴胀，以计算非高斯性？
• RQ5 在CMB数据中，哪些独特的观测信号可将各向异性暴胀与标准各向同性FRW模型区分开来？

主要发现

• 当反作用显著时，该模型在标量场-规范场系统中表现出吸引子相，稳定了各向异性的演化。
• 功率谱的各向异性修正主要由物质 sector 涨落主导，且受慢滚参数抑制，度规贡献为次级项。
• 独立宇宙形式化方法成功推广至各向异性暴胀，使得在矢量场驱动场景中计算非高斯性成为可能。
• CMB的TT、TE、TB、EB和BB关联函数表现出由矢量场引起的独特各向异性调制，其角依赖性通过球谐函数求和规则导出。
• 该模型预测CMB功率谱中存在与L相关的独特调制，通过Wigner 3j符号恒等式，其对角部分表现出δL0依赖性。
• 任何未来对这类统计各向异性的探测都将排除标准各向同性FRW宇宙学模型。