[论文解读] CMB B-modes, spinorial space-time and Pre-Big Bang (II)

Luis Gonzalez‐Mestres|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 34被引用 5

一句话总结

本文提出，BICEP2探测到的CMB B模式可能源自前大爆炸宇宙学或旋量时空（SST），而非宇宙暴胀。SST自然引入一个特权空间方向（PSD），可在无需暴胀或原初引力波的情况下生成矢量扰动和B模式极化。

ABSTRACT

The BICEP2 collaboration reported recently a B-mode polarization of the cosmic microwave background (CMB) radiation inconsistent with the null hypothesis at a significance of > 5 σ. This result has been often interpreted as a signature of primordial gravitational waves from cosmic inflation, even if actually polarized dust emission may be at the origin of such a signal. Even assuming that part of this CMB B-mode polarization really corresponds to the early Universe dynamics, its interpretation in terms of inflation and primordial gravitational waves is not the only possible one. Alternative cosmologies such as pre-Big Bang patterns and the spinorial space-time (SST) we introduced in 1996-97 can naturally account for such CMB B-modes. In particular, the SST automatically generates a privileged space direction (PSD) whose existence may have been confirmed by Planck data. If such a PSD exists, it seems normal to infer that vector perturbations have been present in the early Universe leading to CMB B-modes in suitable cosmological patterns. Inflation would not be required to explain the BICEP2 result assuming it really contains a primordial signal. More generally, pre-Big Bang cosmologies can also generate gravitational waves in the early Universe without any need for cosmic inflation. We further discuss here possible alternatives to the inflationary interpretation of a primordial B-mode polarization of cosmic microwave background radiation.

研究动机与目标

• 通过提出替代的宇宙学框架，挑战BICEP2 B模式信号的主导暴胀解释。
• 论证观测到的CMB B模式可能源自前大爆炸模型中的矢量扰动或旋量时空（SST）中的几何各向异性。
• 强调SST中特权空间方向（PSD）的存在与普朗克数据一致，且可解释B模式极化。
• 建议需引入超越普朗克尺度的物理和修改的时空几何，以解释原初CMB各向异性。
• 倡导对洛伦兹对称性及超高能下新物理的系统性检验，尤其与CMB和宇宙射线数据相关。

提出的方法

• 采用旋量时空（SST）形式化，其中时空由两个复数SU(2)坐标描述，而非四个实数坐标。
• 将宇宙时间定义为 $ t = |oldsymbol{ ilde{ heta}}| $，时空超曲面为 $ S^3 $ 流形，为每个共动观测者自然引入一个特权空间方向（PSD）。
• 将SST框架应用于前大爆炸宇宙学，其中宇宙从 $ t = 0 $ 处的引力瞬子演化而来，生成原初矢量扰动。
• 分析SST中PSD与宇称破坏如何通过矢量模自然产生CMB B模式极化，且独立于张量扰动。
• 将SST与前大爆炸模型与标准 $\Lambda$CDM及暴胀模型进行比较，强调其无需暴胀即可解释视界问题与平坦性问题。
• 提出长期观测计划，以检验超高能宇宙射线与CMB各向异性之间的相关性，尤其与PSD的关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 CMB B模式极化能否在不引入宇宙暴胀或原初引力波的情况下，由前大爆炸宇宙学解释？
• RQ2 旋量时空（SST）中特权空间方向（PSD）的存在是否为CMB B模式的自然生成机制？
• RQ3 BICEP2的B模式信号是否与非暴胀性、几何各向异性的时空结构中产生的矢量扰动一致？
• RQ4 若早期宇宙中存在PSD，超高能宇宙射线是否可能表现出与CMB各向异性的方向相关性？
• RQ5 SST与前大爆炸模型对洛伦兹对称性及普朗克尺度能量下标准物理的有效性有何启示？

主要发现

• 旋量时空（SST）模型自然生成特权空间方向（PSD），其与WMAP数据一致，且可能被普朗克数据证实。
• CMB B模式极化可在SST和前大爆炸模型中通过矢量扰动产生，而无需原初引力波或宇宙暴胀。
• 若BICEP2信号具有原初起源，则其并不唯一支持暴胀范式，反而可能指向其他宇宙学模型。
• 前大爆炸模型可通过 $ t = 0 $ 处的初始引力瞬子解决视界问题，并生成原初引力波，而无需暴胀。
• SST中的PSD可导致宇称破坏，并解释观测到的CMB各向异性，为观测到的大尺度不对称性提供几何起源。
• 对洛伦兹对称性及超高能下新物理的系统性检验至关重要，尤其在超高能宇宙射线与CMB各向异性可能存在相关性的背景下。