[论文解读] Bulk viscous quintessential inflation

Jaume de Haro, Supriya Pan|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2015

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用 6

一句话总结

本文提出了一种广义相对论中的体粘滞宇宙学模型，统一了早期的暴胀与晚期的加速膨胀，构建了一个单一、无奇点的FLRW宇宙。通过将体粘滞建模为哈勃参数的函数，该框架利用一个具有解析势能的标量场重现了这两个阶段，该势能结合了希格斯型形式（用于暴胀）和指数形式（用于暗能量），在考虑运行参数时，其功率谱与普朗克数据一致，并且在渐近意义上实现了热力学平衡。

ABSTRACT

The incorporation of bulk viscosity process to General Relativity leads to the appearance of nonsingular backgrounds that, at early and late times, depict an accelerated universe. These backgrounds could be analytically calculated and mimicked, in the context of General Relativity, by a single scalar field whose potential could also be obtained analytically. We will show that, we can build viable backgrounds that, at early times, depict an inflationary universe leading to a power spectrum of cosmological perturbations which match with current observational data, and after leaving the inflationary phase, the universe suffers a phase transition needed to explain the reheating of the universe via gravitational particle production, and finally, at late times, it enters into the de Sitter phase that can explain the current cosmic acceleration.

研究动机与目标

• 在广义相对论中，通过体粘滞性将早期暴胀与晚期宇宙加速统一于一个宇宙学模型中。
• 构建一个无奇点的背景，避免大爆炸奇点，并支持早期和晚期的加速阶段。
• 证明该模型的标量场势能可被解析推导，并重现对宇宙微扰的观测约束。
• 建立热力学一致性，表明熵单调增加并渐近趋近于平衡。
• 表明引力粒子产生可促成从暴胀到辐射主导时代的相变。

提出的方法

• 将体粘滞建模为哈勃参数的函数：ξ(H) = -ξ₀ + mH + n/H，以恢复常数、与H成正比及与1/H相关的各种情形。
• 在该粘滞性模型下求解修改后的弗里德曼方程和雷乔德赫里方程，以推导背景演化和临界点。
• 应用重建方法，将粘滞性流体动力学映射到具有有效势能的单一标量场。
• 利用标量场势能计算宇宙微扰的功率谱，包括包含运行的张量标量比和谱指数。
• 进行动力系统分析，识别临界点：早期为排斥子（暴胀），晚期为吸引子（德西特相）。
• 分析热力学行为，包括熵的演化及与贝肯斯坦-霍金修正的一致性，以确认渐近热力学平衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 在广义相对论中，体粘滞性模型能否产生一个既无奇点又包含早期暴胀与晚期加速的宇宙？
• RQ2 此类粘滞性宇宙的动力学能否被精确映射到具有解析势能的单一标量场？
• RQ3 由此产生的标量场模型能否产生与普朗克2015观测约束一致的微扰功率谱？
• RQ4 该模型是否具有热力学一致性，即熵单调增加并渐近趋近于平衡？
• RQ5 引力粒子产生如何促成从暴胀到辐射主导时代的相变？

主要发现

• 该模型产生了一个无奇点的宇宙背景，包含两个不同的加速阶段：早期暴胀阶段（排斥子）和晚期德西特阶段（吸引子）。
• 标量场的有效势能被解析推导为一维希格斯势能（用于暴胀）与指数势能（用于晚期加速）的组合。
• 宇宙微扰的功率谱在考虑谱指数运行时与当前观测数据一致，张量标量比在95.5%置信水平下被约束为r ≤ 0.25。
• 即使考虑运行，张量标量比仍略高于普朗克2013/2015的上限（r < 0.11/0.12），但该模型在当前观测约束下仍具可行性。
• 暴胀阶段之后，由引力粒子产生驱动的相变导致热化并进入辐射主导时代，从而实现类似热大爆炸的演化。
• 该模型具有热力学一致性：熵单调增加，宇宙在晚期德西特吸引子处渐近趋近于热力学平衡，即使在包含贝肯斯坦-霍金修正时亦成立。