[논문 리뷰] Constraints on Scalar-Tensor Theories of Gravity from Density Perturbations in Inflationary Cosmology

Takeshi Chiba, Naoshi Sugiyama외 1명|arXiv (Cornell University)|1997. 08. 15.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 혼돈적 인플레이션 기간 동안 스칼라-텐서 중력 이론에서 밀도 편미분 스펙트럼을 계산하며, 등온 및 등온도 모드를 모두 포함하고, 예측된 간섭성 우주 마이크로파 배경의 비균일성과 COBE-DMR 관측 결과를 비교하여 모델 매개변수를 제약한다. 이는 후-뉴턴 실험보다 약 한 계급 더 강력한 제약을 얻는다.

ABSTRACT

Spectra of density perturbations produced during chaotic inflation in scalartensor theories of gravity are calculated, taking both adiabatic and isocurvature modes into account. Comparing the predicted spectrum of the cosmic microwave background radiation anisotropies with the one observed by the COBE-DMR we calculate constraints on the parameters of these theories, which turn out to be stronger by an order-of-magnitude than those obtained from post-Newtonian experiments. PACS numbers: 04.50+h,98.80.-k Typeset using REVT E X e-mail: [e-mail] I. INTRODUCTION Inflationary cosmology gives a natural explanation for the horizon, flatness, homogeneity, and monopole problems [1]. In its simplest form, inflation with a single scalar field predicts an approximately scale-invariant spectrum of Gaussian adiabatic density perturbations [2]. If other fields are present, however, primordially isocurvature perturbations may also be generated to leave an imprint on the universe ...

연구 동기 및 목표

• 혼돈적 인플레이션 기간 동안 스칼라-텐서 이론이 밀도 편미분에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 초기 우주 편미분 스펙트럼 계산에 등온 모드와 등온도 모드를 모두 포함하기 위해.
• 우주 마이크로파 배경 비균일성에 대한 COBE-DMR 자료를 이용하여 스칼라-텐서 이론 매개변수에 대한 관측 제약을 유도하기 위해.
• 이러한 제약이 후-뉴턴 실험에서 유도된 제약과 비교하여 얼마나 강력한지 비교하기 위해.
• 인플레이션 우주론과 CMB 관측 결과를 바탕으로 스칼라-텐서 이론의 타당성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 인플레이션 역학을 사용하여 혼돈적 인플레이션 기간 동안 스칼라-텐서 이론에서 밀도 편미분의 스펙트럼을 계산하기 위해.
• 편미분 스펙트럼 분석에 등온 모드와 등온도 모드를 모두 통합하기 위해.
• 모델 비교의 기준으로서 COBE-DMR에서 관측된 우주 마이크로파 배경 비균일성 스펙트럼을 사용하기 위해.
• 스칼라-텐서 중력의 이론적 프레임워크를 적용하여 효과적인 결합 매개변수와 그들이 인플레이션 기간 동안 어떻게 진화하는지 유도하기 위해.
• 이론적 예측을 관측 데이터와 일치시켜 이론의 자유 매개변수를 제약하기 위해.
• CMB 자료에서 유도된 제약과 후-뉴턴 실험에서 유도된 제약 간의 비교 분석을 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스칼라-텐서 이론은 혼돈적 인플레이션 기간 동안 밀도 편미분 스펙트럼을 어떻게 수정하는가?
• RQ2 이 이론들에서 등온 모드와 등온도 모드는 총 편미분 스펙트럼에 대해 상대적으로 얼마나 기여하는가?
• RQ3 CMB 비균일성에 대한 COBE-DMR 자료를 사용하여 스칼라-텐서 이론 매개변수는 얼마나 날카럽게 제약될 수 있는가?
• RQ4 이러한 CMB 기반 제약은 후-뉴턴 실험에서 유도된 제약보다 얼마나 강력한가?
• RQ5 현재의 CMB 관측과 인플레이션 제약를 고려할 때 스칼라-텐서 이론은 어느 정도 타당성을 유지하는가?

주요 결과

• 스칼라-텐서 이론에 등온 모드와 등온도 모드를 모두 포함시키면, 우주 마이크로파 배경 비균일성 스펙트럼에 대한 예측이 수정된다.
• COBE-DMR 자료에서 유도된 스칼라-텐서 이론 매개변수에 대한 제약는 후-뉴턴 실험에서 유도된 제약보다 약 한 계급 더 강력하다.
• 관측된 CMB 비균일성 스펙트럼은 국소 중력 실험보다 스칼라-텐서 중력의 결합 매개변수에 대해 더 날카로운 제약를 둔다.
• 결과는 인플레이션 우주론, 특히 CMB 관측을 통해 전통적인 약한장 실험보다 스칼라-텐서 중력에 더 민감한 탐지 수단을 제공할 수 있음을 시사한다.
• 분석 결과, CMB 자료와 일치하기 위해 스칼라-텐서 이론은 일반 상대성 이론에서 작은 변화를 가져야 한다는 것이 확인된다.
• 모델에 의존하는 제약는 스칼라-텐서 결합 함수의 특정 형태에 따라 달라지며, 이는 인플레이션 기간 동안 편미분의 진화에 영향을 준다.