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宇宙の始まりを探究する研究を加速する新しい公式

Posted on 2024年6月23日2024年6月23日 by H.T.

「一般化された𝛿𝑁形式論」によって、重力波を含む全ての大規模揺らぎの進化を、背景の均質宇宙の進化を解くことのみで計算できることが示された。Noetherの電荷密度を用いて、水平交差の揺らぎとインフレーションの終わりにおける重力波のマッピングを記述する解析的な公式の導出が行われた。この公式は、背景が異方的なインフレーションモデルにも適用できる。

元記事
Statistical Anisotropy of Primordial Gravitational Waves from Generalized 𝛿⁢𝑁 Formalism Takahiro Tanaka and Yuko Urakawa Phys. Rev. Lett. 132, 231003 – Published 4 June 2024

宇宙のはじまりでは、「インフレーション」という宇宙が急激な加速膨張していた時期を経てビッグバンが起こったと考えられている。この理論は、宇宙の観測を通じて検証されてきたが、具体的に何が急激な加速膨張を引き起こしたのかその全体像はまだ分かっていない。加速膨張宇宙を説明する多くの理論(インフレーションモデル)が提案されており、各モデルの理論的な予言と最新の観測を比較することによってどのモデルが正しいか検証することができる。

インフレーションの期間中には、原始重力波と呼ばれる時空のさざ波が作られるという。原始重力波には、インフレーションモデルに関する重要な情報が刻まれていると考えられている。だが、原始重力波をインフレーションモデルごとに見積もる理論計算は一般にとても複雑であい、インフレーションモデルを特定することを困難にしていた。特に非線形効果と呼ばれる微小な効果が異なるモデルを区別する上で重要となるのだが、原始重力波の非線形効果を計算するには多くの場合コンピュータを使った計算が必要であり、原始重力波の理論研究は一部の簡単なモデルに限定されていました。

1990年代に「分割宇宙アプローチ」という計算方法が確立し、その後幅広く用いられている。ただ、重力波については分割宇宙アプローチを用いた計算手法がわかっていなかった。今回の研究で、その確立以降四半世紀以上に渡って閉ざされていた扉を開ける「分割宇宙アプローチ」を使った原始重力波の計算手法を初めて確立し、複雑な数値計算によらずに幅広いインフレーションモデルを調べることが可能となった。分割宇宙アプローチは宇宙の進化を直観的に理解する際にも役立つため、原始重力波の時間進化の過程についての理解を深化できると期待されます。

原始重力波は宇宙背景放射と呼ばれる宇宙のあらゆる方向から飛来する光の偏光を調べることで検出でき、その重要性から多くの観測計画が提案されている。今回開発された「分割宇宙アプローチ」を使うことで、これまで解析が難しかったモデルも含めて多様な宇宙モデルで予言される原始重力波を計算できるようになるため、重力波検出を通じた創成直後の宇宙の全体像を明らかにし、ひいては加速器実験では検証できない超高エネルギーの世界の物理法則の解明に繋がると期待されている。

宇宙創成「インフレーション」の謎に迫る ~簡単かつ直観的な方法で原始重力波の計算が可能に~ – 名古屋大学研究成果情報

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