[论文解读] Primordial Gravitational Waves and Inflation: CMB and Direct Detection With Space-Based Laser Interferometers

Asantha Cooray|ArXiv.org|Mar 5, 2005

Cosmology and Gravitation Theories被引用 9

一句话总结

本文研究了利用宇宙微波背景（CMB）极化和空间激光干涉仪（如大爆炸观测者）探测宇宙暴胀时期原初引力波的方法。研究证明，通过高分辨率CMB或21厘米数据可有效缓解由引力透镜引起的B模污染，从而实现对张量模式的探测，最低可及约10^15 GeV的暴胀能量尺度；同时，在去除中子星并合双星引起的混淆后，0.01–1 Hz频段的直接探测亦具备可行性，因其并合率低且啁啾演化迅速。

ABSTRACT

The curl-modes of Cosmic Microwave Background (CMB) polarization probe horizon-scale primordial gravitational waves related to inflation. A significant source of confusion is expected from a lensing conversion of polarization related to density perturbations to the curl mode, during the propagation of photons through the large scale structure. Either high resolution CMB anisotropy observations or 21 cm fluctuations at redshifts 30 and higher can be used to delens polarization data and to separate gravitational-wave polarization signature from that of cosmic-shear related signal. Separations based on proposed lensing reconstruction techniques for reasonable future experiments allow the possibility to probe inflationary energy scales down to 10^15 GeV. Beyond CMB polarization, at frequencies between 0.01 Hz to 1 Hz, space-based laser interferometers can also be used to probe the inflationary gravitational wave background. The confusion here is related to the removal of merging neutron star binaries at cosmological distances. Given the low merger rate and the rapid evolution of the gravitational wave frequency across this band, reliable removal techniques can be constructed. We discuss issues related to joint constraints that can be placed on the inflationary models based on CMB polarization information and space-based interferometers such as the Big Bang Observer.

研究动机与目标

• 在存在透镜污染的情况下，实现利用CMB极化B模探测原初引力波。
• 评估利用空间激光干涉仪在0.01–1 Hz频段直接探测暴胀引力波背景的可行性。
• 解决直接引力波探测中天体物理前景（尤其是中子星并合双星）造成的混淆问题。
• 结合CMB尺度（视界尺度）与直接干涉测量（百万公里尺度）观测，联合约束暴胀模型。
• 评估未来实验（包括大爆炸观测者）在跨越巨大尺度范围下探测标量场势能的潜力。

提出的方法

• 利用CMB极化非均匀性，特别是漩涡模（B模）分量，探测暴胀时期的原初引力波。
• 应用高分辨率CMB或21厘米涨落数据进行透镜重建技术，以去透镜化B模信号，分离引力波贡献与宇宙弱引力透镜效应。
• 采用标准张量功率谱模型描述暴胀产生的引力波背景，其振幅与谱指数与暴胀能量尺度直接关联。
• 估算空间激光干涉仪（LISA、BBO、终极DECIGO）的灵敏度曲线，并与紧凑双星并合等天体物理前景进行比较。
• 量化中子星并合双星造成的混淆噪声，并表明其低并合率与快速频率演化特性使其可通过匹配滤波法可靠地从背景中去除。
• 结合CMB在视界尺度上的约束与大基线干涉测量在更大尺度上的直接探测，实现对标量场势能在约30个数量级尺度范围内的形状重建。

实验结果

研究问题

• RQ1 在CMB极化数据中，多大程度上可去除由透镜效应引起的B模，以分离出原初引力波信号？
• RQ2 在利用未来高分辨率或21厘米数据进行去透镜化后，CMB B模极化可探测的最低暴胀能量尺度是多少？
• RQ3 空间激光干涉仪（如大爆炸观测者）是否可在0.01–1 Hz频段探测到暴胀引力波背景？
• RQ4 在直接探测暴胀引力波背景时，如何减轻天体物理前景（尤其是中子星并合双星）造成的混淆？
• RQ5 通过结合CMB在视界尺度的观测与大基线干涉测量在百万公里尺度的探测，可获得关于标量场势能的何种联合约束？

主要发现

• 利用高分辨率CMB或21厘米数据进行透镜重建，可有效分离原初引力波B模与宇宙弱引力透镜引起的B模，从而实现对张量模式的探测，最低可达约10^15 GeV的暴胀能量尺度。
• WMAP对大尺度极化非均匀性的测量表明再电离光学深度为0.17±0.04，暗示再电离红移约为z~17，这虽增加了基于CMB的暴胀约束复杂性，但可通过多波段数据予以分离。
• 空间激光干涉仪（如大爆炸观测者）可在有效去除前景（如中子星并合双星）的前提下，探测0.01–1 Hz频段的暴胀引力波背景。
• 中子星并合双星的低并合率与快速啁啾演化特性使其引力波信号可被可靠地从随机背景中减去，从而最小化混淆噪声。
• 结合CMB观测与直接干涉测量（跨越约30个数量级的尺度）可显著提升对标量场势能形状的重建精度，优于仅依赖CMB数据的结果。
• 目前COBE/WMAP的上限约束将暴胀能量尺度限制在约2×10^16 GeV以下，而CMB去透镜化技术使探测约2×10^15 GeV能量尺度的信号成为可能，尽管目前尚无计划任务专门针对该频段。