暴涨还是替代模型?

 

以下是我为《环球科学》关于暴涨还是替代模型争论写的评论。

毋庸置疑暴涨宇宙学取得了巨大的成功,它所自然预言的宇宙空间平坦性和近标度不变的原初密度涨落都得到了精确宇宙学观测的强烈支持。不可否认,现有的暴涨宇宙学理论依然并非完美,仍然需要更深入的探究。但是,正如热大爆炸宇宙学模型尽管存在空间平坦性、视界等疑难,由于诸多的宇宙学观测给予大量的支持,因此热大爆炸模型仍然被广泛接受为标准的宇宙学模型。反过来看,这些暴涨的替代模型为了能提供和暴涨同样多的对已有观测现象的解释,往往需要更为精巧得多的人为构造。它们带来的问题甚至比解决的问题还要多。极早期宇宙的物理过程发生在宇宙最初极为短暂的时期,因此人们并不能回到那个时期去直接“观测”宇宙的演化,而是只能通过间接的方法去重构产生于那个时期的量子扰动的关联函数。令人遗憾的是仅仅通过关联函数原则上并不能区分那个时期宇宙是在暴涨还是收缩,因此目前并没有任何观测可以提供确凿无疑的方法来区分早期宇宙暴涨和其他替代模型。无论如何,从自然性和简单性原则来看,与那些替代模型相比,暴涨宇宙学不失为最简单和自然的极早期宇宙学模型。

阿里原初引力波科学研讨会

 

时间:2016年4月18日

地点:中国科学院理论物理研究所新楼6620

召集人:黄庆国

会务:刘伟

 

主持人:蔡荣根

09:50-10:00 开幕

10:00-11:00 张新民/苏萌/李虹:阿里原初引力波探测计划介绍

11:00-11:15 合影+休息

11:15-12:15 黄庆国:暴涨和原初引力波

 

12:15-13:30 午餐+休息

 

主持人:陈学雷

13:30-14:00 范祖辉:Weak lensing peak studies

14:00-14:30 李明哲:Some topics on B-mode cosmology

14:30-15:00 张乐:Challenges of foreground subtraction in B-mode measurements

15:00-15:15 李思宇:阿里原初引力波探测计划模拟初步结果

15:15-15:45 休息

15:45-18:00 自由讨论

Neutrino mass and mass hierarchy

 

arXiv:1512.05899 by Qing-Guo Huang, Ke Wang and Sai Wang

        中微子振荡的发现表明中微子是有质量的。中微子振荡的发现赢得了2015年诺贝尔物理奖。然而通过中微子振荡实验只能测量中微子质量平方差,不能测量中微子的绝对质量。

The tensor tilt n_t

 

arXiv:1403.7173 by Cheng Cheng and Qing-Guo Huang 

arXiv:1502.02541 by Qing-Guo Huang and Sai Wang 

arXiv:1509.02676 by Qing-Guo Huang, Sai Wang and Wen Zhao

        暴涨模型预言原初引力波功率谱可以简单参数化为

,

其中。正则单场慢滚暴涨预言张标比。因此正则单场暴涨模型有一个自洽性关系: 

这个关系不依赖于具体的暴涨模型。目前的观测结果是r<0.1,那么-n_t<0.0125,即正则单场慢滚暴涨产生的原初引力波功率谱非常接近于标度不变谱。另一方面,可以利用观测数据来检验这个自洽性关系。如果这个自洽性关系不成立,那么就可以排除所有正则单场暴涨模型。

        2014年3月BICEP2声称发现原初引力波的信号,并发布了全部数据。我们马上意识到下一个重要的问题就是研究原初引力波功率谱的谱指数(n_t)。我们首先利用普朗克卫星温度各向异性角功率谱和WMAP极化谱对张标比(r)和张量谱指数(n_t)进行限制(见下图灰色的轮廓线)。从图中不难发现普朗克卫星温度各向异性角功率谱和WMAP极化谱得到的结果和BICEP2的结果(蓝色线)存在明显的不一致。利用所有这些数据得到的结果如下图中的绿色轮廓线。绿色轮廓线显示在约99.7%置信水平上n_t>0,这与简单的暴涨模型预言不一致。但是,事实上把两组相互矛盾的数据拿来做联合分析是不可靠的。在文章中,我们明确指出绿色轮廓线对应的结果应当是非物理的

正如上篇博文所指出的,我们需要考虑尘埃所带来的污染。在我们完成arXiv:1403.7173的时候普朗克卫星尚未公开353GHz的测量结果。我们采用参数化D_l^dust~l^{-0.3}得到的结果如下图所示。从图中不难发现n_t=0仍然在一个标准偏差范围内!

        事实上,微波背景辐射温度各向异性角功率谱由标量扰动(密度扰动)主导,因此并不适合用来限制引力波功率谱的谱指数。2015年2月BICEP2和普朗克合作组联合发布了普朗克卫星,BICEP2和KeckArray对微波背景辐射B-模极化的测量结果(arXiv:1502.00612)。在arXiv:1502.02541中,为了避免起主导作用的标量扰动对引力波功率谱性质限制带来的偏见,我们提出应当只用B-模极化的数据来限制引力波功率谱的谱指数。为了更好的限制引力波功率谱谱指数的正的部分,我们进一步提出应当联合LIGO的观测数据(arXiv:1406.4556)。结果如下图所示。可见n_t=0和观测数据相一致,而且LIGO的数据确实有助于更好的限制n_t>0的部分。

        未来地面和气球实验对张标比(r)的探测精度大约是0.01,而卫星实验有可能达到0.001的探测精度(arXiv:1502.01983)。在arXiv:1509.02676中,我们考虑普朗克卫星对尘埃的测量结果后,预测未来各种观测测量n_t所能达到的精度。我们发现对于r<0.1即使是未来可预见的最精确的卫星观测(LiteBIRD)都无法检验正则单场暴涨模型的自洽性关系。假定r~0.01,未来CLASS(蓝色)和LiteBIRD(红色)所能达到的精度如下图所示。

Hunting for the primordial gravitational waves

 

arXiv:1409.7025 by Cheng Cheng, Qing-Guo Huang and Sai Wang

        1915年爱因斯坦提出广义相对论之后第二年,即1916年,他发现广义相对论预言存在引力波。引力波是时空的涟漪。广义相对论是描述无质量自旋为2的粒子(引力子)的一个自洽理论。然而100年来引力波从未被发现过。现在全世界很多科学家正在通往发现引力波的道路上赛跑。

        

        原初引力波(primordial gravitational waves)产生于极早期宇宙。由于宇宙的膨胀,它们的波长被拉长到宇宙尺度。由于引力子自旋为2,它们会在微波背景辐射极化上留下特殊的“指纹”(B-模极化)。

        2014年3月,宇宙河外背景偏振成像(BICEP2)合作组声称他们发现了原初引力波留下来的特殊的指纹(arXiv:1403.3985)!这一发现震撼了整个基础科学界。如果这是真的,那么将无疑是基础科学领域一个突破性的进展。大家津津乐道的不是这个发现能否值诺贝尔奖的问题,而是值几个诺贝尔奖的问题。如果BICEP2探测到的信号来自原初引力波,那么张-标比(tensor-to-scalar ratio)为r=0.20(-0.05)(+0.07)。这与A. Linde提出的m^2phi^2暴涨模型的预言相吻合。因此很多人乐观的估计发现B-模极化的BICEP2小组和提出暴涨宇宙学模型的三位科学家(A. Starobinsky, A. Guth和A. Linde)分别获得诺贝尔物理奖。

        2014年5月开始峰回路转。美国有两个小组构造了尘埃物质产生的CMB B-模极化模型,指出尘埃物质也可以很好的拟合BICEP2的观测数据(arXiv:1405.5857 by Mortonson and Seljak from UCBerkeley, 1405.7351 by Flauger, Hill and Spergel from Princeton University and New York University)。但是这两个小组都不能很好的预言尘埃物质产生的CMB B-模极化的大小,因此不能完全判断BICEP2的观测数据到底是来自宇宙尘埃还是原初引力波。要回答这个问题需要普朗克卫星的高频(353GHz)观测数据。

        2014年9月22日,星期一,普朗克353GHz的观测数据出现在预印本服务器上(arXiv:1409.5738)。下图中框住的部分对应BICEP2所观测的天区。

看到这篇文章后我意识到应当立即着手利用普朗克353GHz的观测数据定量分析BICEP2的数据是否还含有原初引力波的证据。把普朗克353GHz的结果作为一个prior加到COSMOMC,我们得到以下结论:

1、联合普朗克2013年发布的温度各向异性角功率谱和WMAP极化功率谱的数据,发现BICEP2的数据不包含原初引力波存在的证据。

2、在99.7%置信水平上排除A. Linde提出的m^2phi^2暴涨模型

我们的结果受到A. Linde, J. Ellis, U. Seljak等人的关注,与2015年2月BICEP2和普朗克合作组联合分析得到的结果(arXiv:1502.00612, 1502.02114)一致!

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Qing-Guo Huang (Professor)

 

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