Первичные возмущения плотности или флуктуации плотности — это вариации плотности в ранней Вселенной, которые послужили семенами для формирования структуры. По наиболее распространенному мнению, эти колебания произошли от космической инфляции.
Как инфляционные возмущения могут влиять на плотность вещества/излучения? Инфляционная фаза произошла и закончилась задолго до того, как началась эра доминирования излучения и материи. Как же тогда (флуктуации инфляционного поля) возмущения оставляют отпечатки на плотности или веществе и излучении?
Почему квантовый? Часто эти флуктуации называют квантовыми флуктуациями , а не классическими. Но можем ли мы не рассматривать просто как неоднородные классические возмущения на фоне однородного классического инфлатонного поля?
По совпадению, абзац из моей диссертации как раз и служит ответом на этот вопрос:
В начале этого раздела я упомянул, что квантовые флуктуации в поле инфлатона дают основу для наблюдаемого спектра мощности в реликтовом излучении. То, что мы наблюдаем, представляет собой спектр мощности температурных возмущений, которые являются гауссовыми и имеют почти масштабно-инвариантные амплитуды. Квантовые флуктуации возникают в поле инфлатона из-за неоднозначности любого определения вакуума в искривленном пространстве. Как показывают Биррелл и Дэвис в книге «Квантовые поля в искривленном пространстве»., даже в упрощенной FLRW-вселенной расширение пространства вызывает квантовые флуктуации в состояниях вакуума. С точки зрения нашего поля инфлатона во время инфляции это объясняется как связь метрического расширения с полем инфлатона через его массу. По мере развития инфляции и изменения кривизны пространства это подпитывает энергией любые возмущения в поле инфлатона, что эквивалентно генерации квантовых флуктуаций (Биррелл и Дэвис). Связь поля с метрическим разложением также означает, что возмущения в поле инфлатона преобразуются в возмущения метрики, что позволяет им выжить без присутствия поля инфлатона (ссылка arXiv) .). Поскольку масштабы, превышающие сопутствующий горизонт Хаббла, становятся «замороженными», а сопутствующий горизонт Хаббла уменьшается во время инфляции, крупномасштабные возмущения инфляционной эпохи сохранились до наших дней.
Давайте пройдемся по тому, что я имел в виду под всем этим. Как вы предполагаете, это означает, что многие возмущения действительно начинаются как классические неоднородности. Однако, поскольку вы не можете адекватно определить вакуум в сильно искривленном пространстве (вид искривления, присутствующий во время инфляции), любое дополнительное или чрезвычайно мелкомасштабное возмущение, возникающее в поле во время инфляции, питается энергией за счет изменяющейся кривизны. Биррелл и Дэвис действительно хорошо объяснили это, так что я призываю вас прочитать ее, но достаточно сказать, что вы не найдете никаких дополнительных возмущений, как формирующихся, так и вырастающих из искривленного пространства любым классическим механизмом. Только квантовые эффекты используют двусмысленность «вакуума» в сильно искривленном пространстве; поэтому результирующие флуктуации должны быть квантовыми по своей природе.
Параграф моего тезиса должен был эффективно убедить вас в том, что возмущения переживут поле инфлатона, из которого они происходят. Они становятся возмущениями в метрике. Если фон после инфляции приводит к однородному распределению вещества и излучения, то любые возмущения в метрике (т. е. масштабного фактора), соответствующие аналогичным возмущениям в конечном состоянии поля инфлатона, вызывают избыточные и недостаточные плотности в распределения вещества и излучения. Поскольку практически каждый масштаб пересекал горизонт Хаббла во время инфляции, эти избыточные и недостаточные плотности «заморожены» (что означает, что они не могут гомогенизироваться с фоном) до тех пор, пока расширение не замедлится достаточно. Вот как возмущения в становятся отпечатками плотности материи и излучения. Тогда я сомневаюсь, что мне нужно рассказывать вам, как это становится семенами для формирования структуры.
Рекомендации
Биррелл, Н.Д. и Дэвис, PCW, Квантовые поля в искривленном пространстве (1984) Кембридж: Издательство Кембриджского университета.
Бауманн, Дэниел, «Лекции TASI по инфляции», (2012) [arXiv:0907.5424v2]
Также моя диссертация. Но это не общедоступно, поэтому нет смысла указывать название, автора и все такое прочее. Я все же получил степень, так что это не могло быть совершенно неправильно.