[论文解读] Cosmological Perturbations in the 5D Holographic Big Bang Model

Natacha Altamirano, Elizabeth Gould+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2017

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 23被引用 3

一句话总结

本文提出了一种5D全息大爆炸模型，其中我们的3-brane宇宙从一个5D恒星的坍缩中产生，从而避免了大爆炸奇点。该模型计算了5D体空中由一层薄而相对论性大气引起的宇宙曲率扰动，发现其功率谱在小尺度上为尺度不变，在中等尺度上呈红色，在大尺度上呈蓝色——整体上与观测结果一致，但与简单幂律模型相比在2.7σ水平上不被支持。

ABSTRACT

The 5D Holographic Big Bang is a novel model for the emergence of the early universe out of a 5D collapsing star (an apparent white hole), in the context of Dvali-Gabadadze-Porrati (DGP) cosmology. The model does not have a big bang singularity, and yet can address cosmological puzzles that are traditionally solved within inflationary cosmology. In this paper, we compute the exact power spectrum of cosmological curvature perturbations due to the effect of a thin atmosphere accreting into our 3-brane. The spectrum is scale-invariant on small scales and red on intermediate scales, but becomes blue on scales larger than the height of the atmosphere. While this behaviour is broadly consistent with the non-parametric measurements of the primordial scalar power spectrum, it is marginally disfavoured relative to a simple power law (at 2.7$σ$ level). Furthermore, we find that the best fit nucleation temperature of our 3-brane is at least 3 orders of magnitude larger than the 5D Planck mass, suggesting an origin in a 5D quantum gravity phase.

研究动机与目标

• 为5D全息大爆炸模型提供一个具体且可预测的框架，作为暴胀宇宙学的替代方案。
• 研究5D体空中一层薄而相对论性大气对3-brane上宇宙扰动的影响。
• 将模型的预测与原初标量功率谱的非参数测量结果进行对比。
• 利用观测和理论约束，对成核温度和5D普朗克质量进行约束。
• 评估该模型与全息熵界限及其他理论约束的一致性。

提出的方法

• 将5D体时空建模为史瓦西几何，其中3-brane以时间依赖的径向位置嵌入。
• 在5D体空中引入一层薄而球对称的相对论性粒子大气，通过DGP作用量中的物质拉格朗日量进行描述。
• 在体空中求解含大气能量-动量张量的修正爱因斯坦方程，以计算扰动。
• 利用诱导度规和分支宇宙学框架中的微扰理论，计算3-brane上的标量曲率功率谱。
• 利用大气引起的哈勃参数演化，推导出时间依赖的扰动增长。
• 将预测的功率谱与非参数CMB重建结果进行比较，并在2.7σ水平上评估拟合优度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在5D全息大爆炸模型中，由于一层薄而下落的大气，宇宙曲率扰动如何产生？
• RQ2 由大气产生的原初功率谱的尺度依赖性如何？与观测结果相比有何差异？
• RQ3 该模型对3-brane成核温度和5D普朗克质量施加了何种约束？
• RQ4 该模型在多大程度上满足全息熵界限？这对其可行性有何含义？
• RQ5 相对论性修正和大气稳定性如何影响预测的功率谱形状？

主要发现

• 宇宙曲率扰动的功率谱在小尺度上为尺度不变，在中等尺度上呈红色，但在大气高度之外的大尺度上表现出蓝色倾斜。
• 该模型预测的功率谱与非参数CMB重建结果总体一致，但与简单幂律模型相比在2.7σ水平上不被支持。
• 3-brane的最佳拟合成核温度至少比5D普朗克质量大三个数量级，暗示其具有量子引力起源。
• 该模型至少违反全息熵界限2.5个数量级，最轻微的违反发生在BBN和薄大气约束的参数边界处。
• 大气的相对论性声速（c/2）和流体静力平衡分布可能引入O(0.2)量级的修正，可能影响谱形，尽管目前被忽略。
• 尽管面临理论和实证挑战（如大气稳定性与熵界限一致性），该模型仍是早期宇宙宇宙学的可行候选。