[论文解读] Beyond the Simplest Inflationary Cosmological Models

Alexei A. Starobinsky|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 1998

Cosmology and Gravitation Theories被引用 3

一句话总结

本文通过探索两种新的宇宙学情景，扩展了最简单的暴胀模型：(1) 持续暴胀样阶段的可能性，其中宇宙距离和角直径测量可约束标量场势；(2) 破坏标度不变性的模型，其原初功率谱中存在局域特征，可能由暴胀末期附近的快速相变引起。关键贡献在于识别出 $k = 0.05\, h\,\text{Mpc}^{-1}$ 作为探测此类特征的关键尺度。

ABSTRACT

Though predictions of the simplest inflationary cosmological models with cold dark matter, flat space and approximately flat initial spectrum of adiabatic perturbations are remarkably close to observational data, we have to go beyond them and to introduce new physics not yet discovered in laboratories to account for all data. Two extensions of these models which seem to be the most actual at present time are discussed. The first one is the possibility that we are living at the beginning of a new inflation-like era. Then classical cosmological tests, like the luminosity distance or the angular size of distant objects as functions of redshift, as well as the behaviour of density perturbations in a dustlike matter component including baryons as a function of redshift, can provide information sufficient for the unambiguous determination of an effective potential of a corresponding present inflaton scalar field. The second, unrelated extension is a possibility of broken-scale-invariant cosmological models which have localized steps or spikes in the primordial perturbation spectrum. These features can be produced by fast phase transitions in physical fields other than an inflaton field in the early Universe during inflation and not far from the end of it. At present, it seems that the only scale in the spectrum around which we might see something of this type is $k=0.05 h Mpc^{-1}$.

研究动机与目标

• 解决最简单的暴胀模型（包含冷暗物质、平坦几何和近乎标度不变的谱）的局限性，尽管这些模型与数据一致，但无法完全解释所有观测结果。
• 研究我们正处于新暴胀样时期开端的可能性，该时期可通过经典宇宙学检验进行探测。
• 考察破坏标度不变性模型对原初扰动谱中局域台阶或尖峰的影响。
• 确定此类特征是否可能由暴胀末期附近除暴胀场以外的其他场的快速相变引起。
• 识别出当前和未来观测数据中探测此类特征最有利的尺度——$k = 0.05\, h\,\text{Mpc}^{-1}$。

提出的方法

• 分析作为红移函数的典型宇宙学距离和角直径关系，以约束当前暴胀样标量场的有效势。
• 应用微扰理论研究尘埃样物质组分（包括重子）在持续暴胀背景下的红移演化。
• 考虑破坏标度不变性的模型，其在原初密度扰动谱中引入局域台阶或尖峰。
• 利用有效场论方法，对暴胀末期或其附近非暴胀场中的快速相变进行建模。
• 推导此类特征在可观测尺度上显现的条件，特别聚焦于 $k = 0.05\, h\,\text{Mpc}^{-1}$ 尺度。
• 利用当前和未来的宇宙学数据（尤其是大尺度结构和CMB各向异性）评估此类特征的可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前时代宇宙距离和角直径测量是否能对驱动新暴胀样阶段的标量场有效势提供明确约束？
• RQ2 非暴胀场中快速相变导致原初功率谱中出现局域台阶或尖峰时，会产生何种观测特征？
• RQ3 在原初功率谱中是否存在一个特定尺度，使得此类特征在当前观测灵敏度下最有可能被探测到？
• RQ4 在具有持续暴胀的模型中，尘埃样物质组分的密度扰动动力学与标准冷暗物质模型有何不同？
• RQ5 在暴胀末期或其附近，何种物理机制可产生原初谱中局域化的特征，而无需涉及暴胀场本身？

主要发现

• 若我们正处于新暴胀样时期，经典宇宙学检验——即作为红移函数的光度距离和角直径——可唯一确定当前暴胀样标量场的有效势。
• 原初功率谱中的局域特征（如台阶或尖峰）可由除暴胀场以外的其他场的快速相变产生，尤其在暴胀末期附近。
• $k = 0.05\, h\,\text{Mpc}^{-1}$ 被确定为探测原初谱中此类特征最有利的区域。
• 此类特征的存在并不需要暴胀场领域的新物理，而可能源于暴胀末期其他标量场的动力学。
• 该模型表明，$k = 0.05\, h\,\text{Mpc}^{-1}$ 处的观测数据可区分标准暴胀模型与具有破坏标度不变性和局域谱特征的模型。