Шкала инфляции через поляризацию реликтового излучения

Я постараюсь затронуть основные моменты, но для деталей вам нужно прочитать что-то более длинное, чем этот пост. Думаю, я бы начал с различных руководств на веб-сайте Уэйна Ху . Отчет Вайса , в котором излагаются доводы в пользу поиска$B$режимы, также может быть хорошим местом для поиска.

Общая картина: (Возможно, вы уже это знаете, в таком случае пропустите.)

И температурная анизотропия, и поляризация возникают из-за неоднородностей либо в распределении материи, либо в геометрии пространства-времени. Эти неоднородности можно разделить на скалярные, векторные и тензорные возмущения. Эта категоризация по существу относится к тому, как возмущение трансформируется при вращении: скаляры инвариантны, векторы трансформируются со спином 1, тензоры трансформируются со спином 2.

Преобладающим видом возмущений являются скаляры, особенно «обычные» возмущения плотности и возникающие из них возмущения гравитационного потенциала. Они способствуют как температурной анизотропии, так и$E$-типа поляризации, но не$B$-тип поляризации. Причина, по сути, является аргументом симметрии.$B$-тип поляризации может быть источником псевдоскаляров, но не скаляров, т. е. любой процесс, инвариантный относительно отражений, не может выступать в качестве источника$B$поляризация.

Точнее, сказанное выше верно для линейного порядка в теории возмущений. На более высоком уровне можно получить$B$-тип поляризации от скалярных возмущений. Это источник сигнала гравитационного линзирования, о котором вы говорите. $B$моды, создаваемые гравитационным линзированием, являются результатом$E$моды (порожденные «обычным» процессом), взаимодействующие с другими неоднородностями на луче зрения.

Тензорные возмущения (возможно, более точно называемые возмущениями спина 2) могут вызывать и вызывают температурную анизотропию.$E$-тип поляризации, и$B$-тип поляризации. Тип тензорных возмущений, которые, скорее всего, будут обнаружены в нашей Вселенной, - это те, которые возникают на фоне гравитационных волн. Такой фон должен давать меньший вклад, чем скалярные возмущения — если бы он давал сравнительно большой сигнал, мы бы его уже видели. Это означает, что поиск этого сигнала либо в температурной анизотропии, либо в$E$-тип поляризации, вероятно, будет невозможен: не будет хорошего способа отделить малый вклад от большого. Но поскольку скаляры не производят$B$-тип поляризации,$B$моды являются «чистым» каналом для поиска этих гравитационных волн.

Почему гравитационные волны вызывают В-моды?

Пожалуй, лучшая экспозиция, которую я когда-либо видел, принадлежит Уэйну Ху . Основная идея заключается в том, что все, что преобразуется как скаляр, не может быть связано с псевдоскаляром. Поскольку гравитационные волны имеют спин-2, они могут. Один из способов думать об этом состоит в том, что гравитационные волны могут быть поляризованы вправо или влево по кругу. В среднем вы ожидаете, что обе поляризации будут одинаково сильны, но в любой момент вы можете увидеть, что одна доминирует над другой, просто случайно. То есть вы можете увидеть «рукопожатие» в любом месте. Эта рукоять - это то, что вам нужно получить$B$режимы. Чтобы быть более точным, вы можете думать обо всем в пространстве Фурье и рассматривать одну моду Фурье за ​​раз. Для скалярных возмущений каждая мода Фурье будет иметь азимутальную симметрию относительно направления волнового вектора, но для тензорных мод это не обязательно. Эта дополнительная степень свободы делает математически возможным возбуждение$B$режимы.

Если это сбивает с толку, посмотрите фотографии Уэйна.

Гравитационные волны от инфляции:

Во время инфляции в энергии во Вселенной преобладает скалярное поле, известное как инфлатон. В конце инфляции инфлатон распадается на «обычное» вещество. Возмущения плотности во Вселенной обусловлены квантовыми флуктуациями инфлатона, заложенными в процессе инфляции.

В то же время, согласно теории, сама метрика пространства-времени должна подвергаться квантовым флуктуациям. Эти колебания также «замораживаются» как классические возмущения после окончания инфляции. Они распространяются (во всяком случае, частично) как гравитационные волны. Эти гравитационные волны являются источником$B$-тип поляризации, которую ищут люди.

Оказывается, когда вы решаете уравнения для квантовых флуктуаций инфлатона, амплитуда зависит от таких вещей, как скорость изменения поля, но амплитуда метрических возмущений (которые вызывают гравитационные волны) зависит только по шкале энергии в то время. Таким образом, измерение амплитуды возмущений плотности говорит вам нечто сложное о динамике поля инфлатона, но измерение амплитуды гравитационных волн дает вам относительно простое представление об энергетическом масштабе инфляции.

Главным прогнозом любого конкретного сценария инфляции является набор угловых спектров мощности, что по существу означает амплитуды температуры,$E$, и$B$моды как функция волнового числа в пространстве Фурье (точнее, мультиполя сферических гармоник). См., например, рисунок 2.2 отчета Вайса . Прогнозируемая амплитуда$B$сигнала, особенно на больших угловых масштабах, существенно зависит только от энергетического масштаба инфляции. В малых масштабах (большие волновые числа/мультиполи) основной причиной$B$мод — это сигнал гравитационного линзирования, который интересен сам по себе, но ничего не говорит вам об инфляции.

Может$B$-режимы будут использоваться для проверки инфляции?

Я скажу да на это. Само присутствие$B$режимы не обязательно являются доказательством инфляции: вы можете представить себе другие механизмы, которые могут их производить. Но инфляционные сценарии предсказывают форму$B$Спектр мощности режима. Если мы наблюдаем$B$режимы, спектр мощности которых соответствует этому предсказанию, что является убедительным доказательством в поддержку теории.

К сожалению, неспособность обнаружить$B$моды не фальсифицирует инфляцию. Амплитуда сигнала зависит от масштаба энергии инфляции, и легко построить инфляционные модели, в которых эта амплитуда неуловимо мала. Таким образом, неспособность обнаружить$B$моды исключили бы часть пространства параметров для инфляционных моделей, но не исключили бы все пространство параметров.