[论文解读] Constraints on Scalar-Tensor Theories of Gravity from Density Perturbations in Inflationary Cosmology

Takeshi Chiba, Naoshi Sugiyama+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 1997

Cosmology and Gravitation Theories被引用 1

一句话总结

本文在混沌暴胀期间计算了标量-张量引力理论中的密度扰动谱，同时包含绝热模式和等曲率模式，并通过将预测的宇宙微波背景各向异性与COBE-DMR观测结果对比，对模型参数施加了约束。结果表明，这些约束比后牛顿实验的约束强一个数量级。

ABSTRACT

Spectra of density perturbations produced during chaotic inflation in scalartensor theories of gravity are calculated, taking both adiabatic and isocurvature modes into account. Comparing the predicted spectrum of the cosmic microwave background radiation anisotropies with the one observed by the COBE-DMR we calculate constraints on the parameters of these theories, which turn out to be stronger by an order-of-magnitude than those obtained from post-Newtonian experiments. PACS numbers: 04.50+h,98.80.-k Typeset using REVT E X e-mail: [e-mail] I. INTRODUCTION Inflationary cosmology gives a natural explanation for the horizon, flatness, homogeneity, and monopole problems [1]. In its simplest form, inflation with a single scalar field predicts an approximately scale-invariant spectrum of Gaussian adiabatic density perturbations [2]. If other fields are present, however, primordially isocurvature perturbations may also be generated to leave an imprint on the universe ...

研究动机与目标

• 研究标量-张量理论对混沌暴胀期间密度扰动的影响。
• 在原初扰动谱的计算中同时包含绝热模式和等曲率模式。
• 利用COBE-DMR对宇宙微波背景各向异性的观测数据，推导标量-张量理论参数的观测约束。
• 将这些约束与后牛顿实验所得约束进行比较。
• 在暴胀宇宙学和宇宙微波背景观测的背景下，评估标量-张量理论的可行性。

提出的方法

• 利用暴胀动力学，在标量-张量理论中计算混沌暴胀期间密度扰动的功率谱。
• 在扰动谱分析中同时纳入绝热模式和等曲率模式。
• 将COBE-DMR观测到的宇宙微波背景各向异性谱作为模型比较的基准。
• 应用标量-张量引力的理论框架，推导有效耦合参数及其在暴胀期间的演化。
• 将理论预测与观测数据匹配，以约束理论的自由参数。
• 对来自宇宙微波背景数据的约束与来自后牛顿实验的约束进行对比分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 标量-张量理论如何改变混沌暴胀期间密度扰动的谱？
• RQ2 在这些理论中，绝热模式与等曲率模式对总扰动谱的相对贡献是什么？
• RQ3 利用COBE-DMR对宇宙微波背景各向异性的数据，标量-张量理论参数能被多紧密地约束？
• RQ4 这些基于宇宙微波背景的约束与后牛顿实验所得约束相比，强度如何？
• RQ5 在当前的宇宙微波背景观测和暴胀约束下，标量-张量理论在多大程度上仍具可行性？

主要发现

• 在标量-张量理论中同时包含绝热模式和等曲率模式，会导致宇宙微波背景各向异性谱的预测发生改变。
• 从COBE-DMR数据中推导出的标量-张量理论参数约束，比后牛顿实验所得约束强约一个数量级。
• 观测到的宇宙微波背景各向异性功率谱对标量-张量引力耦合参数的限制，比局域引力实验更严格。
• 结果表明，暴胀宇宙学，尤其是通过宇宙微波背景观测，对标量-张量引力的探测灵敏度高于传统的弱场实验。
• 分析证实，标量-张量理论必须与广义相对论有微小偏离，才能与宇宙微波背景数据一致。
• 模型依赖的约束取决于标量-张量耦合函数的具体形式，该形式会影响暴胀期间扰动的演化。