原始ブラックホール形成の精細解析とそれを用いたインフレーション宇宙の探査

详细分析太初黑洞的形成并利用它探索暴胀宇宙

基本信息

批准号：
13J08199
负责人：
中間智弘
金额：
$ 2.3万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2013
资助国家：
日本
起止时间：
2013-04-01 至 2016-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

宇宙には、星や銀河のように物質密度の高い領域と、星などが殆ど存在しない物質密度の低い領域とがある。宇宙論ではこの密度の濃淡を密度ゆらぎと呼ぶ。このゆらぎを様々な波長の成分に分解すると便利である。宇宙には星のスケール、銀河スケール、銀河団スケールなどの様々な波長のゆらぎがある。原始ゆらぎのパワースペクトルのうち、長波長側のごく一部は宇宙マイクロ波背景放射(Cosmic Microwave Background, CMB)や宇宙大規模構造の観測から精細に決められている。一方、短波長の原始ゆらぎを調べることでも初期宇宙のゆらぎ生成機構に対する示唆が得られる。そのためには短波長原始ゆらぎが引き起こす宇宙論的な効果に着目する必要がある。例えば、短波長成分がある程度大きいと、星などができるよりはるか昔の初期宇宙で、宇宙を満たしている放射の密度ゆらぎが重力崩壊を起こし、原始ブラックホール(Primordial Black Holes, PBH)が多数形成する。PBH形成を解析するためには、まず超ホライズンスケールの非線形なゆらぎの時間発展を解く必要があるが、その近似解を複数の座標系で定式化し、それらを用いて先行研究のPHB形成シミュレーション結果を統一的に理解した。また、PBH形成の環境効果についても調べ、これらの結果をPhysical Review D誌に発表した。PBHを用いて短波長原始重力波を調べる新たな手法に関する研究もした。短波長原始の振幅が大きいと、テンソルゆらぎの二次の効果で振幅の大きいスカラー型摂動が誘起され、PBHが形成する。観測と矛盾するほどPBHが形成してはいけないという要請から、テンソルゆらぎの振幅に上限を与え、デルタ関数的な原始重力波のパワースペクトルに対しては宇宙マイクロ波背景放射やレーザー干渉計などから得られる制限よりも強い制限が得られた。

在宇宙中，有一些具有高材料密度的区域，例如恒星和星系，以及低材料密度的区域，恒星和其他物体几乎不存在。在宇宙学中，该密度称为密度波动。将这种波动分解为各种波长的组件很方便。宇宙在各种波长中具有波动，例如星形尺度，星系尺度和星系簇量表。在原始波动的功率谱中，从宇宙微波背景（CMB）和大规模空间结构的观察结果详细确定了长波长侧的一小部分。另一方面，检查短波长的原始波动也为早期宇宙中波动产生的机理提供了建议。为此，有必要关注由短波长原始波动引起的宇宙学效应。例如，如果短波长成分在早期的宇宙中，在恒星或类似的东西形成之前很大，则辐射填充宇宙的密度波动会导致引力崩溃，从而导致大量原始黑洞（PBH）。为了分析PBH的形成，有必要首先解决超Horizon量表非线性波动的时间演变。该近似解决方案是在多个坐标系中提出的，并用它们统一了先前研究的PHB形成模拟的结果。我们还研究了PBH形成的环境效应，并在物理评论中发表了这些结果。我们还研究了一种使用PBH检查短波长原始引力波的新方法。当短波长原始的幅度较大时，张量波动的二阶效应会引起标量型扰动，幅度较大，从而导致PBH的形成。要求不应以与观测相矛盾的方式形成PBH的请求，这给张量波动的振幅带来了上限，从而使Delta功能原始重力波的功率光谱更强，而不是由宇宙型微波辐射或激光辐射或激光辐射仪的限制。