[論文レビュー] Gravitational Wave During Slowly Evolving

Yun-Song Piao|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2011

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、急激に変化する重力結合定数を伴うゆっくりと拡張する宇宙論的モデルにおいて、曲率およびテンソル摂動がほぼスケール不変になることを示しており、その結果、テンソル対スカラー比（r）は約0.16に達する。これは近い将来のCMB実験で検出可能である範囲にある。このメカニズムはインフレーション的背景との等長的同型性に起因し、微調整を必要とせずにスケール不変スペクトルを生成可能である。

ABSTRACT

The ekpyrotic slow contraction or the slow expansion might be responsible for the adiabatical production of the nearly scale invariant curvature perturbation. However, the tensor perturbation generated is generally strongly blue, which implies that it is negligible on large scale. Thus it has been still thought that the detection of primordial tensor perturbation will rule out the relevant models. Here, we will show a counterexample. We will illustrate that in a model of the slow evolution, due to the rapid change of the gravitational coupling, both the curvature perturbation and the tensor perturbation can be nearly scale invariant. The resulting ratio of the tensor to scalar is in a regime which can be detected by the coming or planned experiments. We argue that the result is similar to that of inflation is because the background evolution given here is actually conformally equivalent to the inflationary background.

研究の動機と目的

• ゆっくりとした時間変化モデルが検出可能な初期宇宙テンソル摂動を生成できないという従来の見解に挑戦すること。
• 急激に変化する重力結合定数が、同時にスケール不変な曲率およびテンソル摂動を生成できるかどうかを検討すること。
• このようなモデルが、近い将来のCMB実験で検出可能なテンソル対スカラー比（r）を生じることを示すこと。
• インフレーション的状況との等長的同型性が、同一の観測的予測を生じさせる役割を明確にすること。

提案手法

• テンソル摂動（h_ij）および曲率摂動（R）の2次作用を導出し、スカラー場の作用と構造的に類似していることを示す。
• 時間に依存する重力結合定数φ(t)を導入し、これにより摂動の有効質量および伝播速度が変化することを示す。
• ゆっくりとした拡張の下でテンソルおよび曲率モードのスケール不変性を実現するため、z_T ∼ 1/(η_* - η) または (η_* - η)^2 の条件を適用する。
• 等長変換を適用することで、背景の進化がインフレーションと等価であることを示し、同一の観測的結果が得られる理由を説明する。
• φ²の急激な変化を仮定して背景進化方程式を解き、指数的減衰の代わりにべき乗則的拡張が得られることを示す。
• Q_TおよびQ_Rの導出式を用いてテンソル対スカラー比rを計算し、|ε| ∼ 10²のときr ≈ 0.16であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 急激に変化する重力結合定数を伴うゆっくりとした時間変化宇宙モデルは、スケール不変なテンソル摂動を生成できるか？
• RQ2 スカラーおよびテンソル摂動の両方でスケール不変性を達成するために、重力結合定数にどのような条件が必要か？
• RQ3 得られるテンソル対スカラー比rは、現在のまたは計画中のCMB実験で検出可能か？
• RQ4 インフレーションとの等長的同型性は、異なる背景ダイナミクスにもかかわらず、観測的予測の類似性をどのように説明できるか？

主な発見

• 通常のゆっくりとした進化では青色傾斜（blue-tilted）の傾向を示すが、本モデルでは重力結合定数の急激な変化により、ほぼスケール不変なテンソル摂動スペクトルが生成される。
• |ε| ∼ 10²のとき、テンソル対スカラー比rは約0.16に計算され、近い将来のCMB実験の感度範囲内にある。
• スケール不変な曲率摂動は、摂動の増大モードを介して生成され、ゆっくりとした拡張期における断熱的生成と整合的である。
• 背景進化はインフレーションと等長的同型であるため、スケール不変性や検出可能なrといった観測的予測がインフレーションと一致することが説明できる。
• 観測された曲率摂動の振幅を固定するためのλ ∼ 10⁻¹⁰の調整のみを必要とし、他の微調整は不要であるため、理論的枠組みの中で自然である。
• 摂動モードは自然にフリーズアウトホライズンおよびハッブルホライズンを脱出し、大スケール初期宇宙不均一性の生成が保証される。