[论文解读] Gravitational waves from inflation

Maria Chiara Guzzetti, Nicola Bartolo+2 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2016

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 348被引用 173

一句话总结

对在膨胀期产生的原初引力波的全面综述，包括真空源与非真空源、再加热、修正引力情景以及观测前景。

ABSTRACT

The production of a stochastic background of gravitational waves is a fundamental prediction of any cosmological inflationary model. The features of such a signal encode unique information about the physics of the Early Universe and beyond, thus representing an exciting, powerful window on the origin and evolution of the Universe. We review the main mechanisms of gravitational-wave production, ranging from quantum fluctuations of the gravitational field to other mechanisms that can take place during or after inflation. These include e.g. gravitational waves generated as a consequence of extra particle production during inflation, or during the (p)reheating phase. Gravitational waves produced in inflation scenarios based on modified gravity theories and second-order gravitational waves are also considered. For each analyzed case, the expected power-spectrum is given. We discuss the discriminating power among different models, associated with the validity/violation of the standard consistency relation between tensor-to-scalar ratio $r$ and tensor spectral index $n_{ m T}$. In light of the prospects for (directly/indirectly) detecting primordial gravitational waves, we give the expected present-day gravitational radiation spectral energy-density, highlighting the main characteristics imprinted by the cosmic thermal history, and we outline the signatures left by gravitational waves on the Cosmic Microwave Background and some imprints in the Large-Scale Structure of the Universe. Finally, current bounds and prospects of detection for inflationary gravitational waves are summarized.

研究动机与目标

• 概述膨胀如何产生随机背景的引力波以及为何它是早期宇宙物理的关键探针。
• 概述在膨胀期间内或之后产生引力波的主要机制，包括量子真空涨落、粒子产物生成和再加热。
• 讨论引力波信号如何编码关于再加热、修正引力以及宇宙热史的信息，以及它们如何在CMB与大尺度结构中留下印记。
• 回顾关于原初引力波的当前观测界限及未来探测前景。
• 强调张量-标量比r及其与张量谱指数n_T的一致性关系作为模型判别的作用。

提出的方法

• 提出标准单场慢滚膨胀框架并推导张量扰动的演变方程及其功率谱（2.3.1）。
• 讨论一致性关系 r = -8 n_T 及其对膨胀模型的含义（第2.3.2节）。
• 将二阶及膨胀后（再加热）源的GWs编目（第3–4节）。
• 概览修正引力理论与广义G-膨胀中的GW产生（第5节）。
• 将GW谱与热史及CMB/LSS印记联系起来（第9–10节）。
• 总结当前界限及未来观测前景（第11节）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准单场慢滚膨胀中预测的原初 GW 谱是什么，以及如何在观测上区分它们？
• RQ2 存在哪些替代机制（二阶、粒子产生、再加热、修正引力）能够在膨胀期间或之后产生或增强原初GW，它们的谱如何不同？
• RQ3 再加热与热史如何在现今的GW能量密度以及CMB/LSS观测中留下印记？
• RQ4 在非标准膨胀情景下，在哪些条件下可以违背或改变标准一致性关系 r = -8 n_T？
• RQ5 当前对 r 与原初GW的观测界限是什么，未来实验的探测前景如何？

主要发现

• 标准单场慢滚膨胀预测几乎尺度不变的张量谱，且 r 的约束来自当前数据（在 k* = 0.05 Mpc^-1 时，95%置信水平 r < 0.07）。
• 排除温度数据时，95%置信水平的界限 r < 0.09 导致现今 Omega_GW ~ 10^-15 在 f ~ 10^-17 Hz。
• 额外的GW背景来自膨胀期间或再加热过程中的额外粒子产生，以及来自修正引力情景。
• 二阶GW由标量扰动源于随机背景的贡献，特征取决于源机制（曲拉顿、旁观场等）。
• 再加热/预加热可产生显著的 GW 信号，其特征与具体的预加热机制相关（参数共振、参量放热）。
• 观测印记包括CMB中的B模式极化以及未来实验对某些谱的直接探测潜力。