[论文解读] Isentropic and Isocurvature Axion Perturbations in Inflationary Cosmology

Stephen D. Burns|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 1997

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 3被引用 6

一句话总结

本文研究了暴胀宇宙学中轴子引起的等熵和等曲率扰动，表明若存在等曲率模式，COBE 数据将暴胀哈勃尺度限制在 $ H_I \lesssim 10^{12} $ GeV 以内。利用萨斯卡通宇宙微波背景数据和 $ \sigma_8 $，研究发现等曲率扰动未被排除，其振幅限制在 $ \ell = 87 $ 时为绝热模式的 $ \lesssim 0.1 $ 倍，在 $ \ell = 237 $ 时为 $ \lesssim 10^{-3} \text{--} 10^{-2} $ 倍。

ABSTRACT

Isentropic and isocurvature axion inflationary perturbations are studied in detail. If isocurvature perturbations are present, COBE requires the inflationary Hubble constant to be rather small, $H_{I} \stackrel{

研究动机与目标

• 研究轴子诱导的等曲率和等熵扰动对宇宙微波背景（CMB）各向异性的影响。
• 利用 COBE 和萨斯卡通实验的观测数据，约束等曲率扰动的振幅。
• 评估混合轴子与超对称冷暗物质（CDM）模型与 CMB 功率谱的一致性。
• 当包含等曲率模式时，评估其对暴胀哈勃尺度 $ H_I $ 的影响。
• 评估在混合绝热与等曲率初始条件模型中，轴子暗物质的可行性。

提出的方法

• 计算包含轴子与超对称 CDM 组分混合的 CDM 模型中 CMB 各向异性的角功率谱。
• 使用线性扰动理论，在暴胀期间对等熵（绝热）和等曲率轴子涨落进行建模。
• 应用 COBE-DMR 数据对原初功率谱归一化的约束，以限制 $ H_I $。
• 将理论 CMB 功率谱与萨斯卡通实验在多极数 $ \ell = 87 $ 和 $ \ell = 237 $ 处的数据进行比较，以约束等曲率振幅。
• 整合 $ \sigma_8 $ 测量结果，进一步限制等曲率贡献的允许参数空间。
• 采用转移函数形式，计算扰动从视界进入到再结合时期的演化过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 等曲率轴子扰动如何影响宇宙微波背景的角功率谱？
• RQ2 利用萨斯卡通 CMB 数据和 $ \sigma_8 $，可对等曲率扰动振幅施加哪些上限？
• RQ3 等曲率模式的存在在多大程度上限制了暴胀哈勃尺度 $ H_I $？
• RQ4 混合轴子与超对称 CDM 模型与观测的 CMB 各向异性数据相比如何？
• RQ5 在当前 CMB 和大尺度结构约束下，等曲率轴子扰动是否仍然可行？

主要发现

• 若存在等曲率扰动，无论暴胀模型如何，COBE 数据均要求暴胀哈勃尺度满足 $ H_I \lesssim 10^{12} $ GeV。
• 在 $ \ell = 87 $ 时，等曲率扰动振幅的平方必须 $ \lesssim 0.1 $ 倍于绝热分量，才能与萨斯卡通数据一致。
• 在 $ \ell = 237 $ 时，等曲率振幅被限制在绝热振幅的 $ \lesssim 10^{-3} \text{--} 10^{-2} $ 以内。
• 尽管并非主导，当前 CMB 和 $ \sigma_8 $ 数据并未排除等曲率扰动。
• CMB 角功率谱不仅依赖于等曲率谱的振幅，还依赖于轴子密度参数 $ \Omega_a $。
• 观测一致性允许轴子等曲率模式存在非可忽略的贡献，尤其在中等多极数区域。