[논문 리뷰] Synergistic tests of inflation

Alkistis Pourtsidou|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 15.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 미래의 21cm 강도 매핑, 광학적 은하, CMB 설문조사를 통해 초기 우주의 스펙트럼 지수 $n_{\rm s}$와 그의 러닝인 $\alpha_{\rm s}$, $\beta_{\rm s}$를 제약할 수 있는지를 피셔 예측 분석을 사용하여 평가한다. 이는 단일 필드 느린 로프 인플레이션 모델에 대한 제약을 크게 향상시킬 수 있으며, SKA와 CHIME와 같은 21cm 설문조사가 초기 특징에 대해 강력한 감도를 제공할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We investigate the possibility of utilising 21cm intensity mapping, optical galaxy, and Cosmic Microwave Background (CMB) surveys to constrain the power spectrum of primordial fluctuations predicted by single-field slow-roll inflation models. Implementing a Fisher forecast analysis, we derive constraints on the spectral tilt parameter $n_{ m s}$ and its first and second runnings $(α_{ m s},β_{ m s})$. We show that 21cm intensity mapping surveys with instruments like the Square Kilometre Array, CHIME, and HIRAX, can be powerful probes of the primordial features. We combine our forecasts with the ones derived for a COrE-like CMB survey, as well as for a Stage IV optical galaxy survey similar to Euclid. The synergies between different surveys can be exploited to rule out a large fraction of the available inflationary models.

연구 동기 및 목표

• 단일 필드 느린 로프 인플레이션 모델에서 스펙트럼 지수 $n_{\rm s}$와 그의 러닝인 $\alpha_{\rm s}$, $\beta_{\rm s}$를 21cm 강도 매핑 설문조사가 어떻게 제약할 수 있는지 평가하기.
• 21cm 강도 매핑 설문조사와 CMB 및 광학적 은하 설문조사의 융합을 통해 달성 가능한 제약 조건을 평가하기.
• SKA, CHIME, HIRAX, Euclid와 같은 향후 설문조사가 CMB만으로 달성할 수 있는 것보다 인플레이션 매개변수에 대한 제약 조건을 향상시킬 수 있는지 확인하기.
• 고정밀 측정을 통한 느린 로프 인플레이션의 최소 모델에서의 이탈 검출 가능성 조사하기.

제안 방법

• 미래 설문조사로부터 $n_{\rm s}$, $\alpha_{\rm s}$, $\beta_{\rm s}$에 대한 제약 조건을 예측하기 위해 피셔 행렬 예측 분석을 사용한다.
• 초기 우주의 스펙트럼을 $P_{\rm s}(k) = A_{\rm s} (k/k_\star)^{n_{\rm s}-1 + \frac{1}{2}\alpha_{\rm s} \ln(k/k_\star) + \frac{1}{6}\beta_{\rm s} \ln^2(k/k_\star)}$로 모델링한다.
• COrE 유사 CMB 설문조사, 스테이지 IV 광학적 은하 설문조사(Euclid 유사), 21cm 강도 매핑 설문조사(SKА, CHIME, HIRAX)의 예측을 통합한다.
• 대규모 구조 예측에서 인플레이션 매개변수 이외의 천문학적 매개변수(예: $A_{\rm s}$, $n_{\rm s}$, $\alpha_{\rm s}$, $\beta_{\rm s}$)를 CMB 측정값으로 고정한다.
• 비선형 영역의 모델링 과제를 피하기 위해 보수적인 비선형 척도 커팅을 적용하여 선형 영역의 예측에 집중한다.
• 스펙트럼의 매끄러움과 광학적 은하와의 상관관계를 통한 전경 간섭 요소 감소 전략을 평가하여 체계적 오차를 줄인다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SKA와 CHIME와 같은 21cm 강도 매핑 설문조사가 CMB 및 광학적 은하 설문조사와 비교하여 스펙트럼 지수와 그의 러닝에 대해 경쟁력 있는 제약 조건을 제공할 수 있는가?
• RQ2 CMB, 21cm 강도 매핑, 광학적 은하 설문조사의 융합을 통해 $\alpha_{\rm s}$와 $\beta_{\rm s}$에 대한 제약 조건은 어떻게 향상되는가?
• RQ3 다양한 설문조사의 융합을 통해 단일 필드 느린 로프 인플레이션 모델의 다수를 배제할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 미래의 21cm 강도 매핑 실험에서 $\alpha_{\rm s}$와 $\beta_{\rm s}$에 대한 예상 정밀도는 어느 정도인가?
• RQ5 전경 오염과 같은 체계적 오차는 예측된 제약 조건에 어떤 영향을 미치며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?

주요 결과

• SKA, CHIME, HIRAX와 같은 21cm 강도 매핑 설문조사가 스펙트럼 지수와 그의 러닝에 대해 강력한 제약 조건을 제공하며, 초기 특징을 탐지하는 강력한 수단이 된다.
• COrE 유사 CMB 설문조사, 스테이지 IV 광학적 은하 설문조사(Euclid 유사), 21cm 강도 매핑 설문조사의 융합은 $n_{\rm s}$, $\alpha_{\rm s}$, $\beta_{\rm s}$에 대한 제약 조건을 크게 향상시킨다.
• 다양한 설문조사의 융합을 통해 $\alpha_{\rm s}$와 $\beta_{\rm s}$에 대한 제약 조건이 강화되어 단일 필드 느린 로프 인플레이션 모델의 다수를 배제할 수 있다.
• 21cm 강도 매핑에서 예측된 $\alpha_{\rm s}$의 오차는 다른 설문조사와 경쟁 가능하며, $\delta\alpha_{\rm s} \sim 0.001$ 수준에 도달할 수 있다.
• 현재 설문조사 구성으로는 $\beta_{\rm s} \sim 10^{-5}$를 측정하는 것은 도전 과제이지만, 융합 설문조사가 고차 러닝에 대한 감도를 향상시킨다.
• 광학적 은하와의 상관관계와 스펙트럼의 매끄러움을 통한 전경 간섭 요소 감소는 21cm 강도 매핑에서 체계적 오차를 줄이는 효과적인 전략이다.