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2014(理论)宇宙学研究进展

2014年3月17日,由美国哈佛大学微波背景辐射组牵头的BICEP2实验声称观测到了来自早期宇宙微波背景辐射的引力波迹象。根据他们的实验结果,早期原初扰动中张量扰动(主要由原初引力波贡献)和标量扰动(主要由暴涨场贡献)振幅之比(张标比)达到0.2,明显高于之前PLANCK卫星所观测到的0.11的上限。通常最简单的暴涨势往往不能给出如此高的张标比,否则会破坏慢滚条件而使得暴涨无法进行。我们研究了一种势函数形式为三角函数的暴涨模型(文献中称其为自然暴涨模型,因其能由早期宇宙的自发对称性破缺自然给出而得名)。该模型的特点是能给出较大的标量扰动谱指数的跑动(即谱指数随扰动波数k的变化),而不同于一般暴涨模型仅仅能给出常数谱指数。由于考虑了谱指数的跑动,在数据拟合的时候将会多出一个自由度,这样就扩大了PLANCK卫星观测所给出的张标比的空间(PLANCK文章中所给的参数空间是假设常数谱指数后拟合得到的空间),使得PLANCK与BICEP2的实验结果相自洽,同时他们的模型能同时满足这两个实验给出的限制范围。数据分析表明,这两个实验结果自洽需要谱指数随k的变化率在-0.03~-0.01之间,而我们的模型可以很自然的给出这一结果。

曲率子是人们于2002年左右引入的一种场,它存在于暴涨期间,因其质量较轻,基本上不会对暴涨背景产生影响。但可以由它产生观测所需要的扰动谱(曲率子机制),而这样的好处是不用暴涨场驱动暴涨背景的同时产生扰动谱,从而放松观测对暴涨场的约束。但通常的曲率子还是要求慢滚,即暴涨场有一个相对平缓的势能。邱涛涛小组提出曲率子和引力有一个耦合,该耦合可以使得无论在何种背景下(甚至可以不需要是暴涨),曲率子均能自动给出满足观测的近标度不变谱,使得背景条件进一步放宽。在之前具体讨论了该模型的背景演化和二阶扰动谱(即功率谱)的基础上,我们更进一步的讨论了该模型可能产生的三阶扰动,因为随着实验精度的不断提高,人们会越来越重视更高阶的扰动。详尽的分析了该模型产生的标量、张量型三阶扰动以及混合扰动,并给出了各种扰动的形状。发现除了二阶扰动外,该模型的三阶扰动也是符合实验观测的,即产生estimator不超过O(10)的三阶扰动。

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