[논문 리뷰] String Gas Cosmology and Non-Gaussianities

Bin Chen, Yi Wang외 2명|ArXiv.org|2007. 12. 14.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 31인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 데시터 상태를 피하는 열역학적 스트링 진동의 허거드론 단계에 기반하는 인플레이션의 대안인 스트링 가스 우주론(SGC)에서 비정규성을 계산한다. 비정규성 $f_{\rm NL}$은 파동수 $k$에 대해 선형적으로 증가하며, 스트링 스케일에 의해 결정되는데, 관측 가능한 수준의 비정규성이 나타나기 위해서는 스트링 스케일이 테바르(TeV) 스케일 근처여야 하며, 이는 관측된 스펙트럼을 일치시키기 위해 허거드론 온도를 정밀 조정해야 한다는 것을 의미한다.

ABSTRACT

Recently it has been shown that string gas cosmology, an alternative model of the very early universe which does not involve a period of cosmological inflation, can give rise to an almost scale invariant spectrum of metric perturbations. Here we calculate the non-Gaussianities of the spectrum of cosmological fluctuations in string gas cosmology, and find that these non-Gaussianities depend linearly on the wave number and that their amplitude depends sensitively on the string scale. If the string scale is at the TeV scale, string gas cosmology could lead to observable non-Gaussianities, if it is close to the Planck scale, then the non-Gaussianities on current cosmological scales are negligible.

연구 동기 및 목표

• 스트링 가스 우주론(SGC), 즉 초기우주 모델의 인플레이션 대체 모델에서 비정규성 매개변수 $f_{\rm NL}$을 계산하기 위해.
• 미래의 천체우주 관측 실험에서 감지 가능한 비정규성이 SGC에 의해 생성되는 조건을 규명하기 위해.
• 비정규성 매개변수 $f_{\rm NL}$이 스트링 스케일과 허거드론 단계의 온도에 어떻게 민감하게 의존하는지 평가하여 관측 제약 조건 하에서 SGC의 타당성을 평가하기 위해.
• 표준 인플레이션 모델과 비교하여 SGC에서의 비정규성의 형태와 스케일 의존성에 대해 분석하기 위해.

제안 방법

• 허거드론 단계에서 스트링 가스 역학에 기반한 열상관함수를 활용하여 곡률 편미분의 세 점 상관함수를 계산한다.
• 이전 연구 [24]에서 개발된 열기원 비정규성의 형식을 SGC의 맥락에 적용하며, T-duality 대칭성을 갖는 니론 중력의 효과적 작용을 사용한다.
• 스칼라 인플레이션의 스케일 인플레이션과 일관된 공간적으로 평탄하고 균일하며 등방성인 계량을 사용하며, 허거드론 단계 동안 스케일 인플레이션과 니론이 일정하다.
• 허거드론 단계 동안 스케일 인플레이션, 온도, 허블 파라미터 간의 관계를 사용하여 스펙트럼과 비정규성을 계산한다.
• 비정규성 추정량 $f_{\rm NL}$은 표준 천체우주 편미분 이론의 정의에 따라 세 점 상관함수와 두 점 상관함수의 곱의 비율로부터 유도된다.
• 최종적으로 $f_{\rm NL}$의 표현식은 허블 파라미터와 온도를 스트링 스케일과 플랑크 스케일에 연결하여 유도되며, $f_{\rm NL} \sim (l_s/l_p)^2 \times 10^{-30} \times (k/k_0)$로 나타난다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스트링 가스 우주론은 향후 CMB 및 대규모 구조 조사에서 관측 가능한 비정규성을 생성하는가?
• RQ2 SGC에서의 $f_{\rm NL}$의 크기와 스케일 의존성은 표준 인플레이션 모델과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 $f_{\rm NL}$은 스트링 스케일에 어떻게 의존하는가? 어떤 조건에서 관측 가능한 수준에 도달할 수 있는가?
• RQ4 SGC에서 낮은 스트링 스케일이 관측된 스펙트럼과 일치하는 조건에서 비정규성을 감지 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 허거드론 온도는 이 틀에서 비정규성의 크기를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 스트링 가스 우주론에서 비정규성 매개변수 $f_{\rm NL}$은 파동수 $k$에 대해 선형적으로 증가하며, 더 작은 스케일에서 더 강한 비정규성을 나타낸다.
• $f_{\rm NL}$의 크기는 스트링 스케일에 매우 민감하다: 스트링 스케일이 플랑크 스케일에 가까울 경우, 천체우주 스케일에서 비정규성은 무시할 만큼 작다.
• 스트링 스케일이 테바르 스케일에 가까울 경우, $f_{\rm NL} \sim \mathcal{O}(1)$로 $k_0$ 스케일에서 관측 가능할 수 있다.
• 테바르 수준의 낮은 스트링 스케일은 관측된 스펙트럼과 일치시키기 위해 허거드론 온도를 정밀 조정해야 한다.
• SGC에서의 $f_{\rm NL}$의 선형 $k$-의존성은 표준 인플레이션에서의 거의 스케일 불변인 비정규성과 뚜렷하게 대비되며, 관측적으로 구별 가능한 서명을 제공한다.
• $f_{\rm NL}$이 $k$에 따라 증가하는 것이 관측된다면, 낮은 스트링 스케일을 가진 스트링 가스 우주론을 강력히 지지할 수 있으나, 이러한 시나리오는 정밀 조정 문제를 안고 있다.