[论文解读] Role Of Dissipative Effects In The Quantum Gravitational Onset Of Warm Starobinsky Inflation In A Closed Universe

Meysam Motaharfar, Parampreet Singh|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 97被引用 13

一句话总结

本文研究了在环形量子宇宙学（LQC）框架下，温暖Starobinsky暴胀中耗散粒子产生如何增强闭合宇宙中暴胀的启动。通过引入三种不同的耗散情景，作者表明熵产生增强了类似滞后的行为，显著扩大了有利初始条件的相空间，使得即使在冷暴胀失败的极端不利条件下，也能实现快速而稳定的暴胀。

ABSTRACT

A problematic feature of low-energy-scale inflationary models, such as Starobinsky inflation, in a spatially closed universe is the occurrence of a recollapse and a big crunch singularity before inflation can even set in. In a recent work, it was shown that this problem can be successfully resolved in loop quantum cosmology for a large class of initial conditions due to a nonsingular cyclic evolution and a hysteresislike phenomenon. However, for certain highly unfavorable initial conditions, the onset of inflation was still difficult to obtain. In this work, we explore the role of dissipative particle production, which is typical in warm inflation scenario, in the above setting. We find that entropy production sourced by such dissipative effects makes hysteresislike phenomena stronger. As a result, the onset of inflation is quick in general, including for highly unfavorable initial conditions where it fails or is significantly delayed in the absence of dissipative effects. We phenomenologically consider three warm inflation scenarios with distinct forms of dissipation coefficient and from dynamical solutions and phase-space portraits find that the phase space of favorable initial conditions turns out to be much larger than in cold inflation.

研究动机与目标

• 解决在空间闭合宇宙中低能暴胀模型的初始条件挑战，其中可能因坍缩和大挤压奇点而阻碍暴胀的发生。
• 检验在环形量子宇宙学（LQC）中，温暖暴胀的耗散粒子产生是否能稳定并加速暴胀的启动。
• 通过引入耗散效应，推广先前LQC的结果——尽管非奇异循环演化解决了奇点问题，但在极端初始条件下仍会失败。
• 量化耗散效应如何相较于冷暴胀扩大有利于成功暴胀的初始条件相空间。

提出的方法

• 在具有Starobinsky势的闭合弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克宇宙中构建一个温暖暴胀情景。
• 引入三种现象学形式的耗散系数（γ）以模拟不同的温暖暴胀区域：常数、线性和二次形式的标量场。
• 使用从环形量子宇宙学推导出的有效动力学方程来建模量子引力修正，以非奇异的反弹取代奇点。
• 通过动力学解和相空间图分析系统，追踪动能与势能比值及状态方程（ω）的演化。
• 将温暖暴胀的动力学与冷暴胀进行比较，评估成功暴胀吸引盆的增强程度。
• 评估由膨胀与收缩阶段中压力不对称性驱动的类似滞后行为——该行为因耗散效应引起的熵产生而得到增强。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LQC的闭合宇宙中，温暖暴胀中的耗散粒子产生是否能够克服在极端不利初始条件下暴胀启动失败的问题？
• RQ2 在LQC中，非奇异循环演化所观察到的类似滞后行为，其耗散效应的引入如何影响？
• RQ3 在闭合LQC框架下，与冷暴胀相比，温暖暴胀中有利于暴胀的初始条件相空间扩大了多少？
• RQ4 在三种不同耗散系数形式（常数、线性、二次）下，暴胀启动动力学在定性和定量上存在哪些差异？
• RQ5 耗散效应引起的熵产生是否增强了避免坍缩并实现加速膨胀的必要条件？

主要发现

• 耗散效应显著增强了LQC中的类似滞后现象，导致膨胀与收缩阶段间压力不对称性更强。
• 与冷暴胀相比，温暖暴胀中有利于暴胀的初始条件相空间显著扩大，尤其在极端初始条件下更为明显。
• 在所有三种耗散情景下，暴胀启动均变得快速而稳健，即使在无耗散时暴胀会失败或延迟的情况下亦然。
• 在温暖暴胀中，动能与势能比值更有效地降低，使状态方程更快降至−1/3以下，从而更快触发加速膨胀。
• 由于熵产生，系统表现出更稳定、更高效的暴胀过渡，抑制了坍缩并支持了非奇异循环演化。
• 动力学解和相空间图证实，与冷暴胀相比，具有耗散的温暖暴胀能更快、更可靠地趋近de Sitter吸引子。