[论文解读] Synergistic tests of inflation

Alkistis Pourtsidou|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2016

Cosmology and Gravitation Theories被引用 12

一句话总结

本文利用Fisher预测分析，评估未来21厘米强度映射、光学星系和CMB巡天在约束原初谱指数 $n_{\rm s}$ 及其运行参数 $\alpha_{\rm s}$、$\beta_{\rm s}$ 方面的潜力，表明这些巡天的协同使用可显著提升对单场慢滚暴胀模型的约束，其中21厘米巡天（如SKA和CHIME）对原初特征具有强敏感性。

ABSTRACT

We investigate the possibility of utilising 21cm intensity mapping, optical galaxy, and Cosmic Microwave Background (CMB) surveys to constrain the power spectrum of primordial fluctuations predicted by single-field slow-roll inflation models. Implementing a Fisher forecast analysis, we derive constraints on the spectral tilt parameter $n_{ m s}$ and its first and second runnings $(α_{ m s},β_{ m s})$. We show that 21cm intensity mapping surveys with instruments like the Square Kilometre Array, CHIME, and HIRAX, can be powerful probes of the primordial features. We combine our forecasts with the ones derived for a COrE-like CMB survey, as well as for a Stage IV optical galaxy survey similar to Euclid. The synergies between different surveys can be exploited to rule out a large fraction of the available inflationary models.

研究动机与目标

• 评估21厘米强度映射巡天在约束单场慢滚暴胀模型中谱指数 $n_{\rm s}$ 及其运行参数 $\alpha_{\rm s}$、$\beta_{\rm s}$ 方面的潜力。
• 评估将21厘米强度映射与CMB及光学星系巡天结合后可实现的协同约束效果。
• 确定未来巡天（如SKA、CHIME、HIRAX和Euclid）是否能超越仅依靠CMB的约束能力，进一步提升对暴胀参数的约束。
• 研究通过高精度测量谱运行参数，探测偏离最小慢滚暴胀的可行性和潜力。

提出的方法

• 采用Fisher矩阵预测分析，预测未来巡天对 $n_{\rm s}$、$\alpha_{\rm s}$ 和 $\beta_{\rm s}$ 的约束能力。
• 将原初功率谱建模为 $P_{\rm s}(k) = A_{\rm s} (k/k_\star)^{n_{\rm s}-1 + \frac{1}{2}\alpha_{\rm s} \ln(k/k_\star) + \frac{1}{6}\beta_{\rm s} \ln^2(k/k_\star)}$。
• 整合来自COrE类CMB巡天、第四阶段光学星系巡天（类Euclid）以及21厘米强度映射巡天（SKA、CHIME、HIRAX）的预测结果。
• 在大尺度结构预测中，将除暴胀参数外的宇宙学参数（如 $A_{\rm s}$、$n_{\rm s}$、$\alpha_{\rm s}$、$\beta_{\rm s}$）固定为CMB测量值。
• 采用保守的非线性尺度截断以避免建模挑战，专注于线性区预测。
• 通过谱平滑性和与光学星系的交叉相关，评估前景污染抑制策略，以减少系统误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 与CMB和光学星系巡天相比，SKA和CHIME等21厘米强度映射巡天能否对谱指数及其运行参数提供具有竞争力的约束？
• RQ2 当CMB、21厘米强度映射与光学星系巡天联合使用时，$\alpha_{\rm s}$ 和 $\beta_{\rm s}$ 的约束性能如何提升？
• RQ3 协同巡天在多大程度上能够排除大量单场慢滚暴胀模型？
• RQ4 未来21厘米强度映射实验单独对 $\alpha_{\rm s}$ 和 $\beta_{\rm s}$ 的预期测量精度如何？
• RQ5 前景污染等系统误差如何影响预测约束？是否能够有效缓解？

主要发现

• SKA、CHIME和HIRAX等21厘米强度映射巡天可对谱指数及其运行参数提供强约束，是探测原初特征的强大工具。
• COrE类CMB巡天与第四阶段光学星系巡天（类Euclid）及21厘米强度映射的联合使用，显著提升了对 $n_{\rm s}$、$\alpha_{\rm s}$ 和 $\beta_{\rm s}$ 的约束能力。
• 多巡天协同使用可通过收紧 $\alpha_{\rm s}$ 和 $\beta_{\rm s}$ 的约束，排除大量单场慢滚暴胀模型。
• 21厘米强度映射对 $\alpha_{\rm s}$ 的预测误差具有竞争力，有望达到 $\delta\alpha_{\rm s} \sim 0.001$。
• 尽管当前巡天配置下 $\beta_{\rm s} \sim 10^{-5}$ 的测量仍具挑战性，但协同巡天可增强对高阶运行参数的敏感性。
• 与光学星系的交叉相关以及通过谱平滑性进行前景抑制，是减少21厘米强度映射系统误差的有效策略。