[论文解读] Implications of single field inflation in general cosmological scenarios on the nature of dark energy given the swampland conjectures

Oem Trivedi|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2020

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 169被引用 7

一句话总结

本文表明，在修正的宇宙学模型（如膜世界或高斯-博内模型）中，单场暴胀可自然地产生显著偏离 -1 的暗能量状态方程，即使在原始 de Sitter 之荒漠化猜想下亦然。该研究无需依赖微调或阶跃函数形式的暴胀模型，即可调和暴胀与荒漠化约束之间的矛盾。

ABSTRACT

Swampland Conjectures have attracted quite some interest in the Cosmological Community. They have been shown to have wide ranging implications , like Constraints on Inflationary Models, Primordial Black Holes etc. to name a few. A particularly revealing insight on dark energy also shows that one can have the dark energy equation of state for a quintessence scenario to be signficantly different than -1 after one takes into account the refined dS conjecture. Another interesting issue with the swampland conjectures is that they have been shown to be incompatible with single field inflationary models in GR based cosmology. In our previous work we have, however, showed that single field inflationary models are quite compatible with swampland conjectures in their usual string theoretic form in a large class of modified cosmological scenarios. Building on that work, we now show that in modified cosmological scenarios where the early universe expansion was driven by single field inflation , one can have the dark energy equation of state to be significantly different from -1 even if we just take into account the original dS conjecture, let alone the refined form of that. We thereby show that one does not need to apply a step function approach towards inflation in order to have an observable distinction between constant and non constant dark energy models in the context of the swampland conjectures.

研究动机与目标

• 解决标准广义相对论基宇宙学中单场暴胀与荒漠化猜想之间的不相容性。
• 探究修正的宇宙学情景是否能够调和单场暴胀与荒漠化准则。
• 调查在原始或优化的 de Sitter 猜想下，暗能量状态方程是否可显著偏离 -1。
• 表明非恒定暗能量模型可在不依赖微调暴胀动力学的情况下实现可观测差异。

提出的方法

• 分析非广义相对论宇宙学框架下的单场暴胀，包括膜世界和高斯-博内模型。
• 将原始及优化的 de Sitter 荒漠化猜想（|V′|/V ≥ O(1) 和 V′′/V ≤ -O(1)）应用于修正引力中的标量场势能。
• 利用修正弗里德曼方程中标量场动力学的精确与近似解，评估其与荒漠化条件的一致性。
• 在这些约束下，将所得暗能量状态方程（w_DE）与宇宙学常数值（w = -1）进行比较。
• 在荒漠化约束背景下，评估类 quintessence 暗能量模型的可行性。
• 证明：为实现 w_DE ≠ -1，无需采用优化的 de Sitter 猜想；在修正引力中，原始猜想已足够。

实验结果

研究问题

• RQ1 在修正的宇宙学模型中，单场暴胀是否仍能与荒漠化猜想保持一致？
• RQ2 原始 de Sitter 荒漠化猜想是否允许暗能量状态方程显著偏离 -1？
• RQ3 在荒漠化约束下，非恒定暗能量模型是否可与宇宙学常数实现可观测区分？
• RQ4 在荒漠化框架中，为实现 w_DE = -1 的可观测偏离，是否必须采用阶跃函数或微调暴胀模型？

主要发现

• 单场暴胀在一大类修正宇宙学情景（如膜世界和高斯-博内模型）中与荒漠化猜想相容。
• 即使在原始 de Sitter 荒漠化猜想（|V′|/V ≥ O(1)）下，暗能量状态方程仍可显著偏离 -1。
• 为实现 w_DE ≠ -1，无需采用优化的 de Sitter 猜想（V′′/V ≤ -O(1)）；在修正引力中，原始猜想已足够。
• 非恒定暗能量模型可在不引入微调或阶跃函数暴胀的情况下，与宇宙学常数实现可观测区分。
• 若早期宇宙暴胀发生于修正宇宙学框架中，荒漠化约束并不强制要求暗能量为宇宙学常数。
• 结果表明，在非广义相对论宇宙学中，与荒漠化准则相容的可行暗能量模型可自然涌现。