2016 Fiscal Year Annual Research Report
一般的なスカラー場理論を用いた初期宇宙モデルの構築と重力波による観測的峻別
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15J04044
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| Research Institution | Rikkyo University |
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Principal Investigator |
西 咲音 立教大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2018-03-31
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| Keywords | 初期宇宙 / 修正重力理論 / 重力波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
初期宇宙の進化を説明するものとして広く一般的に考えられているシナリオは、インフレーションと呼ばれるような加速膨張が起きていたというものである。通常これは指数関数的な膨張を指すが、我々の研究ではこの代替シナリオであるGenesisに注目しており、Genesisのシナリオでは指数関数とは違った関数で表されるような膨張がおきている。現在この他にも様々なシナリオが提唱されているが、初期宇宙がどのように進化し、それを説明するモデルがどう記述されるかを我々が判断するためには、モデルごとに観測に対する予言を与え比較をしなくてはならない。
ここで本研究では特に重力波に注目している。重力波とは時空のゆがみが波として伝播していくものである。我々が扱うものは初期宇宙に生じた原始重力波と呼ばれるものだが、これまでの研究からはこの重力波のパワースペクトルがインフレーションとその他の代替シナリオで異なる特徴を持つことがわかっていた。しかし近年の研究から、Genesisシナリオにおいてインフレーションと同様のスペクトルが得られるようなモデルがあるという指摘がなされたため、Genesisシナリオにおいて様々な重力波のパワースペクトルを再現できるような一般的なモデルの構築を行った。
これにより、Genesisシナリオでどのようなモデルを構築すればインフレーションと同じようなスペクトルが得られるかがわかった。これは将来インフレーションの予言するような原始重力波の観測結果が得られたとしても、インフレーションがおきていたと断定するためには他の観測的予言についても議論をする必要があるということを意味している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
前年度の推進方策として挙げた研究内容の一つであるGenesisシナリオにおける非ガウス性については計算結果から物理的解釈の難しい項が現れ、議論を行ったものの解釈の糸口が掴めなかったことから保留となっている。しかし、もう一つの研究課題として挙げられていた原始重力波のスペクトルが様々なかたちを示すことができるような一般的なモデルの構築については計算や議論を順調に進めることができた。この研究結果は論文にまとめられ11月にarXivで公開された後、2017年3月にはPhysical Review Dにて査読済みで掲載された。
予定の変更はあったものの論文としてまとめて発表する段階まで研究を進めることができたため、概ね順調に進展していると評価する。
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| Strategy for Future Research Activity |
通常宇宙は特別な方向はないものとして議論が行われるが、前述の研究結果からは宇宙に特別な方向が生じたまま宇宙が膨張するようなGenesisシナリオの可能性が示唆されていた。これはインフレーションのシナリオでは非等方インフレーションと呼ばれ、重力場やスカラー場の他にベクトル場などを含むような様々なモデルで議論されているものである。非等方性と重力波はどちらも時空のゆがみを表すものであり、理論のモデルの中の時空のゆがみに寄与する重要な項は関連していると考えられる。Genesisシナリオでの研究から示唆されたのはこれがベクトル場を含まず重力場とスカラー場のみで一般的な非等方インフレーションの解が得られる可能性であり、我々はこのようなモデルについて議論を行っている。
モデルは一般的なスカラーテンソル理論の枠組みを用いて議論を行う。現時点では、計量の空間成分に非等方性を表すものを加え場の方程式を導出し、インフレーション中にどのように時間変化していくかを調べたところ、非等方性は様々な初期値を与えてもいくつかのある状態に引きつけられるということが確認されている。今後は非等方性があることでインフレーション中に生じるゆらぎのパワースペクトルが通常の等方なインフレーションとどう異なるか等を議論する予定である。
ゆらぎの複雑な計算は主に数値計算ソフトmathematicaを用いて行い７月までには終了する予定である。得られた結果を元にインフレーション後の宇宙への接続などについても議論を行い１０月には結果を論文へまとめる段階へと進むことを計画している。
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