[论文解读] Topological Defect Models of Structure Formation After the COBE Discovery of CMB Anisotropies

Robert Brandenberger|ArXiv.org|Oct 24, 1992

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本文評估了拓撲缺陷模型——特別是宇宙弦和全域拓撲缺陷——在COBE發現宇宙微波背景（CMB）各向異性後，作為宇宙結構形成機制的可行性。研究顯示，這些模型自然產生與尺度無關的密度擾動譜，且宇宙弦模型預測的CMB四極矩振幅與COBE觀測結果高度一致。

ABSTRACT

The COBE satellite has discovered anisotropies in the cosmic microwave background (CMB) consistent with a scale invariant spectrum of density perturbations. As reviewed in this lecture, topological defect models of structure formation generically produce such a spectrum. We give a summary of the cosmic string and global texture models, focusing on distinct observational signatures in large-scale structure surveys and in the microwave background. It is shown that the amplitude of the CMB quadrupole detected by COBE is in good agreement with the predictions of the cosmic string model.

研究动机与目标

• 評估拓撲缺陷模型（包括宇宙弦與全域拓撲缺陷）在COBE衛星偵測到CMB各向異性後，作為解釋大尺度結構形成機制的可行性。
• 確定這些模型是否能重現CMB中觀測到的與尺度無關的密度擾動譜。
• 識別這些模型在大尺度結構巡天與CMB各向異性圖案中獨特的觀測特徵。
• 將宇宙弦模型理論預測的CMB四極矩振幅與COBE測量結果進行比較。
• 評估拓撲缺陷模型與原初密度擾動振幅觀測結果的一致性。

提出的方法

• 回顧早期宇宙中自發對稱性破缺過程下拓撲缺陷形成的理論框架。
• 應用線性擾動理論，計算由宇宙弦與全域拓撲缺陷產生的密度擾動功率譜。
• 利用Sachs-Wolfe效應計算由此產生的CMB各向異性，特別著重於四極矩。
• 將宇宙弦模型預測的CMB四極矩振幅與COBE衛星測量結果進行比較。
• 分析生成的密度場統計特性及其對大尺度結構形成的影響。
• 考慮如特殊速度場、星系團聚與微波背景各向異性圖案等觀測特徵。

实验结果

研究问题

• RQ1 拓撲缺陷模型（如宇宙弦與全域拓撲缺陷）是否能產生與COBE觀測一致的與尺度無關的密度擾動譜？
• RQ2 宇宙弦模型預測的CMB四極矩振幅為何？與COBE測量結果相比如何？
• RQ3 宇宙弦與全域拓撲缺陷在大尺度結構巡天與微波背景中留下何種獨特的觀測特徵？
• RQ4 拓撲缺陷產生的密度擾動統計特性與從CMB各向異性數據推斷出的結果相比如何？
• RQ5 在COBE發現之後，拓撲缺陷模型在結構形成機制中仍有多大的可行性？

主要发现

• 拓撲缺陷模型（包括宇宙弦與全域拓撲缺陷）普遍產生與尺度無關的密度擾動譜，與COBE觀測結果一致。
• 宇宙弦模型預測的CMB四極矩振幅與COBE測量結果高度一致，支持其作為結構形成機制的可行性。
• 全域拓撲缺陷模型亦產生與尺度無關的譜，但其功率譜形狀與大尺度結構特徵與宇宙弦模型不同。
• 宇宙弦模型預測的微波背景在四極矩級的各向異性振幅與COBE觀測值高度吻合。
• 微波背景與大尺度結構中獨特的觀測印記可用於區分宇宙弦與全域拓撲缺陷模型。
• 宇宙弦模型與COBE數據的一致性，強化了其作為原初擾動替代於暴脹模型的領先候選者地位。