[论文解读] Unifying Brane World Inflation with Quintessence

M. Sami, Naresh Dadhich|ArXiv.org|May 3, 2004

Cosmology and Gravitation Theories被引用 5

一句话总结

本文提出在高斯-博内特修正的膜世界情景下，利用单一标量场统一膜世界暴胀与类宇宙学暗能量。通过瞬时预加热机制，高效地重加热非振荡模型，避免了过多的原初引力波，并满足核合成约束条件；当引入高斯-博内特修正时，陡峭指数势能变得可行。

ABSTRACT

We review the recent attempts of unifying inflation with quintessence. It appears natural to join the two ends in the framework of brane world cosmology. The models of quintessential inflation belong to the class of {\it non-oscillatory} models for which the mechanism of conventional reheating does not work. Reheating through gravitational particle production is inefficient and leads to the excessive production of relic gravity waves which results in the violation of nucleosynthesis constraint. The mechanism of {\it instant preheating} is quite efficient and is suitable for brane world quintessential inflation. The model is shown to be free from the problem of excessive production of gravity waves. The prospects of Gauss-Bonnet brane world inflation are also briefly indicated.

研究动机与目标

• 在膜世界宇宙学框架下，通过单一标量场模型统一早期暴胀与晚期类宇宙学暗能量。
• 解决由于引力粒子产生效率低下和原初引力波过多而导致传统重加热机制在非振荡模型中失效的问题。
• 探讨体空间作用量中的高斯-博内特修正是否能挽救陡峭指数势能免受观测约束。
• 评估瞬时预加热作为膜世界类宇宙学暴胀模型中稳健重加热机制的可行性。
• 评估与WMAP对标量谱指数和张量标量比的约束的兼容性。

提出的方法

• 采用单一标量场模型，该场在演化过程中既充当暴胀子又充当类宇宙学场，从慢滚暴胀过渡到晚期暗能量主导。
• 在膜世界情景中使用修正的弗里德曼方程，包含二次能量密度修正项以及体空间作用量中的高斯-博内特项。
• 通过非微扰粒子产生机制在非振荡阶段实施瞬时预加热，避免长时间的动能主导阶段。
• 推导出有效4维牛顿引力常数和宇宙学常数微调条件，以在低能下恢复广义相对论。
• 评估在RS（兰德尔-兰姆杜西）和GB（高斯-博内特）区域中，指数势能的谱指数 $n_S$ 和张量标量比 $R$。
• 使用数值分析绘制 $R$ 与 $n_S$ 的关系图，针对 $\mathcal{N} = 50, 60, 70$ 个e-因子，与WMAP的 $1\sigma$ 和 $2\sigma$ 观测轮廓进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一标量场模型是否能在膜世界框架下统一暴胀与类宇宙学暗能量，而不违反宇宙学约束？
• RQ2 为何传统重加热机制在非振荡类宇宙学暴胀模型中失效？是否存在一种替代机制可高效重加热宇宙？
• RQ3 体空间作用量中的高斯-博内特修正如何改变弗里德曼方程，并影响陡峭暴胀势能的可行性？
• RQ4 引入高斯-博内特项后，陡峭指数势能是否仍能与WMAP对 $n_S$ 和 $R$ 的观测结果保持一致？
• RQ5 瞬时预加热在抑制原初引力波产生和确保与大爆炸核合成相容性方面起到什么作用？

主要发现

• 瞬时预加热极为高效，避免了非振荡模型中引力粒子产生导致的原初引力波过度产生问题。
• 由于快速重加热过程，该模型仍与核合成约束相容，该过程抑制了原初引力波的增长。
• 对于指数势能，在高能GB区域，高斯-博内特项导致原初密度扰动谱完全满足标度不变性。
• 在中间GB-RS区域，对于 $\mathcal{N} = 70$ 个e-因子，陡峭暴胀与指数势能位于 $2\sigma$ 观测边界内。
• 在中间GB区域，谱指数 $n_S$ 增大，张量标量比 $R$ 减小，与WMAP数据的符合程度提高。
• 该模型表明，此前在标准RS膜世界中被排除的陡峭势能，当引入高斯-博内特修正后可成为可行方案。