インフレーション起源の スカラー型摂動から生じる...

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インフレーション起源の スカラー型摂動から生じる重力波 黒柳 幸子(名古屋大学) 2018/11/2 17DECIGOワークショップ

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インフレーション起源のスカラー型摂動から生じる重力波

黒柳 幸子(名古屋大学)2018/11/2

第17回DECIGOワークショップ

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インフレーション起源の重力波

現在CMB(宇宙背景放射)

電磁波

重力波

38万年 138億年

 再加熱:インフレーション後の粒子生成 log(time)

インフレーション:宇宙の加速膨張期

光子は飛び回る電子によって散乱される

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スカラー場がポテンシャル中をゆっくり転がることで加速膨張が引き起こされる

標準的な初期宇宙の理論モデルインフレーション

ϕ

Vslow-roll

ϕ

V

振動

再加熱スカラー場がポテンシャルの底で振動しながら輻射に崩壊

→ 宇宙の膨張は物質優勢期と 同じように振る舞う H / a

�3/2

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インフレーションH-1~const

log(a) →

log(

Scal

e) →

スケールファクター(宇宙の膨張度合い)

輻射優勢期

物質優勢期再加熱

H-1∝a3/2

H-1∝a2

H-1∝a3/2

現在

宇宙の膨張の歴史

H-1: ホライズンサイズH: 膨張率

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log(a) →

H-1

★ 時空の量子ゆらぎ

インフレーション中

インフレーション後減速膨張

古典化

現在加速膨張

log(

Scal

e) →

インフレーションにより引き伸ばされた時空の量子ゆらぎが古典化 → 重力波に

重力波の生成メカニズム

aλ: 重力波の波長

H-1: ホライズンサイズ(因果関係を持てる範囲)

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log(a) →

H-1

log(

Scal

e) →

大小様々な波長の量子ゆらぎを引き伸ばすので幅広い周波数帯に重力波が生成される

現在

波長 大

波長 小

重力波の生成メカニズム

aλ: 重力波の波長H-1: ホライズンサイズ

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インフレーション起源の重力波(φ2 inflation: r~0.1)

重力波強度

インフレーション起源の重力波のスペクトル

初期スペクトル

× 遷移関数

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強度が変化

重力波強度

インフレーションモデルを変えると

∝ インフレーションのエネルギースケール

初期スペクトル ×

遷移関数

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再加熱温度 TR~104 1010107 GeV長い 短い再加熱

再加熱の時期を変えると

スペクトルに折れまがり

初期スペクトル

× 遷移関数

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再加熱温度 TR~104 1010107 GeV長い 短い再加熱

ちなみに

ϕ

V

再加熱中にスカラー場の運動項が優勢な場合

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TRH < 107GeV だとDECIGOで インフレーション起源の重力波を検出できなくなる?

再加熱温度 TR~104 1010107 GeV

→ スカラー型摂動の重力波がある!

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スカラー型摂動 Φ, Ψ

テンソル型摂動 hij

→ 重力ポテンシャル = 密度ゆらぎCMB, 銀河サーベイで検証

CMB Bモード, DECIGO→ 重力波

計量摂動

インフレーションが予言するもの

インフレーションを引き起こす スカラー場の量子ゆらぎ

時空の量子ゆらぎ

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スカラー型摂動 Φ, Ψ

テンソル型摂動 hij

→ 重力ポテンシャル = 密度ゆらぎCMB, 銀河サーベイで検証

CMB Bモード, DECIGO→ 重力波

計量摂動

インフレーションが予言するもの

観測と非常に良い一致

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スカラー型摂動 Φ, Ψ

テンソル型摂動 hij

→ 重力ポテンシャル = 密度ゆらぎCMB, 銀河サーベイで検証

CMB Bモード, DECIGO→ 重力波

計量摂動

インフレーションが予言するもの

観測と非常に良い一致

必ず存在するはず

摂動の2次で 重力波が作られるΦΦ ΦΨ ΨΨ

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Tijlm: TT ゲージへの射影^

重力波の運動方程式

ソース項

2次のスカラー型摂動が生み出す重力波

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検出の可能性

Baumann et al. PRD 76, 084019 (2007)

インフレーション後に輻射優勢の場合ΩGW ~ 10-20 でDECIGOでは届かない

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検出の可能性

物質優勢期ならば大きな高周波数帯で大きな重力波が期待できる

Assadullahi and Wands, PRD 79, 083511 (2009)

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Tijlm: TT ゲージへの射影^

重力波の運動方程式

ソース項

2次のスカラー型摂動が生み出す重力波

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重力波の運動方程式

ソース項

2次のスカラー型摂動が生み出す重力波

Φの運動方程式

(csk)2(aH)2

for csk<<aHconstantΦ =

非等方圧を無視すると Π(1)=0 → Φ=Ψ

∝ a-2Φ for csk>>aH

cs: 音速

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重力波の運動方程式

ソース項

2次のスカラー型摂動が生み出す重力波

Φの運動方程式

(csk)2(aH)2

for csk<<aHconstantΦ =

非等方圧を無視すると Π(1)=0 → Φ=Ψ

∝ a-2Φ for csk>>aH

cs: 音速

輻射優勢期:cs=1/3物質優勢期: cs ~ 0

物質優勢期なら長い間ソース項が減らない

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∝ a-2∝η-2

|Φk|

輻射優勢期∝ const

Φとhの時間進化の様子

log(η)csk<<aH csk>>aH

cs=1/3

音速ホライズン k/3~aH

重力波の時間進化

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|hk|∝ a-2∝η-2

|Φk|∝ const

∝η2 ∝a-1∝η-1

log(η)

生成

csk<<aH csk>>aH

cs=1/3輻射優勢期

音速ホライズン k/3~aH

Φとhの時間進化の様子

重力波の時間進化

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∝ a-2∝η-2

|Φk|

物質優勢期

∝ const

log(η)

再加熱終了

cs=1/3cs ~ 0 輻射優勢期

Φとhの時間進化の様子

重力波の時間進化

csk<<aH csk>>aH

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|hk| ∝ a-2∝η-2

|Φk|∝ const

∝η2∝ const ∝a-1∝η-1

log(η)

cs ~ 0物質優勢期 輻射優勢期 cs=1/3

再加熱終了Φとhの時間進化の様子

重力波の時間進化

csk<<aH csk>>aH

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10-19 10-9 10 101110-20

10-17

10-14

10-11

10-8

1st order

2nd order

TR=1010GeV

f [Hz]

DECIGO

LISA Adv-LIGO

Hinf= 1014GeV, 1013GeV, 1012 GeV

重力波のスペクトルWork with Tanaka-san & Jinn-Ouk Gong

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10-19 10-9 10 101110-20

10-17

10-14

10-11

10-8

2nd order

TR=1010GeV

f [Hz]

DECIGO

LISA Adv-LIGO

1st order

⌦GW /✓Hinf

mpl

◆2

Hinf: インフレーション中の膨張率

r~0.1r~10-3

r~10-5

時空の量子ゆらぎ起源の重力波強度

Hinf= 1014GeV, 1013GeV, 1012 GeV

重力波のスペクトル

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10-19 10-9 10 101110-20

10-17

10-14

10-11

10-8

1st order

2nd order

TR=1010GeV

f [Hz]

DECIGO

LISA Adv-LIGOfbend ⇠ 0.1

✓TR

107GeV

◆Hz

TR: 再加熱温度

再加熱による折れまがり

Hinf= 1014GeV, 1013GeV, 1012 GeV

重力波のスペクトル

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10-19 10-9 10 101110-20

10-17

10-14

10-11

10-8

1st order

2nd order

TR=107GeV

f [Hz]

DECIGO

LISA Adv-LIGO

Hinf= 1014GeV, 1013GeV, 1012 GeV

重力波のスペクトル

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10-19 10-9 10 101110-20

10-17

10-14

10-11

10-8

1st order

2nd order

TR=104GeV

f [Hz]

DECIGO

LISA Adv-LIGO

Hinf= 1014GeV, 1013GeV, 1012 GeV

重力波のスペクトル

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10-19 10-9 10 101110-20

10-17

10-14

10-11

10-8

1st order

2nd order

TR=101GeV

f [Hz]

DECIGO

LISA Adv-LIGO

Hinf= 1014GeV, 1013GeV, 1012 GeV

重力波のスペクトル

Page 31: インフレーション起源の スカラー型摂動から生じる …granite.phys.s.u-tokyo.ac.jp/decigo/DECIGO-WS17/DECIGO...インフレーション起源の スカラー型摂動から生じる重力波

10-19 10-9 10 101110-20

10-17

10-14

10-11

10-8

1st order

2nd order

TR=10-3GeV

f [Hz]

DECIGO

LISA Adv-LIGO

Hinf= 1014GeV, 1013GeV, 1012 GeV

重力波のスペクトル

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10-19 10-9 10 101110-20

10-17

10-14

10-11

10-8

1st order

2nd order

TR=10-3GeV

f [Hz]

DECIGO

LISA Adv-LIGO

Hinf= 1014GeV, 108GeV, 102 GeV

重力波のスペクトル

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応用編:原始ブラックホール生成時に生じる重力波

波数kCMB

スカラーゆらぎのパワースペクトルPΦ(k)

Saito & Yokoyama, PRL 102, 161101 (2009)

CMB観測 …→ 観測なし

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応用編:原始ブラックホール生成時に生じる重力波

波数kCMB

スカラーゆらぎのパワースペクトル

→ 原始ブラックホール→ 重力波

PΦ(k)

<ΦΦ>

Saito & Yokoyama, PRL 102, 161101 (2009)

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応用編:原始ブラックホール生成時に生じる重力波

Saito & Yokoyama, PRL 102, 161101 (2009)

6×102Msolar 3×1022gブラックホールの質量

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応用編:原始ブラックホール生成時に生じる重力波

波数kCMB

スカラーゆらぎのパワースペクトルPΦ(k)

Alabidi et al., JCAP 09 017 (2012)

hilltop inflationrunning mass model

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応用編:原始ブラックホール生成時に生じる重力波

hilltop inflation

running mass model

Alabidi et al., JCAP 09 017 (2012)

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応用編:瞬間的な再加熱の際に生じる重力波

ϕ

V

共鳴振動

瞬間再加熱(Preheating)

スカラー場がポテンシャルの底で振動しながら輻射に崩壊

→ スカラー場 φ が崩壊先の場 χ と共鳴振動を起こすと 粒子生成が一気に進む。

→ 重力波<χχ>

χ χ

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応用編:瞬間的な再加熱の際に生じる重力波

Garcia-Bellido & Figueroa, PRL 98, 061302 (2007)

Hinf~100GeV

1014GeV

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• インフレーション後の物質優勢期が長ければ2次摂動起源の重力波強度は大きくなる→ 通常考えられている時空の量子ゆらぎ起源の重力波と相補的

• スカラー型摂動が初期から大きいようなインフレーションがあれば原始ブラックホール生成と共に重力波も生成される

• 再加熱のモデルは様々で、大きな重力波を生成するモデルも多い。DECIGOを通して再加熱モデルを検証できる。

時空の量子ゆらぎ起源の重力波

まとめインフレーションの予言

→ 2次のスカラー摂動起源の重力波+ スカラー型ゆらぎ