宇宙論の問題

自然単位系 $\hslash =c=1$ を用い、換算プランク質量を $M_{\mathrm{Pl}}$ とする。インフラトン場 $\varphi$ のポテンシャルが
$$V(\varphi )=\frac{1}{2}{m}^2{\varphi }^2(m>0)$$
で与えられ、場は $\varphi >0$ の領域を $\varphi$ が減少する向きにスローロールするとする。スローロール・パラメータを
$${ϵ}_V=\frac{M_{\mathrm{Pl}}^2}{2}{\left(\frac{V^{\prime }}{V}\right)}^2,{\eta }_V=M_{\mathrm{Pl}}^2\frac{V^{\prime \prime }}{V}$$
とし（${}^{\prime }$ は $\varphi$ による微分）、インフレーションは ${ϵ}_V=1$ となる場の値 ${\varphi }_{\mathrm{end}}$ で終わるとする。観測されるスケールがホライズンを出たときの場の値 ${\varphi }_{\ast }$ は、e-folding 数
$$N=\frac{1}{M_{\mathrm{Pl}}^2}{\int }_{{\varphi }_{\mathrm{end}}}^{{\varphi }_{\ast }}\frac{V}{V^{\prime }}d\varphi$$
が $N=60$ となる値とする。スローロールの 1 次近似 $n_s=1-6{ϵ}_V+2{\eta }_V$、$r=16{ϵ}_V$ を $\varphi ={\varphi }_{\ast }$ で評価したとき、スカラー・スペクトル指数 $n_s$ とテンソル・スカラー比 $r$ の組 $(n_s,r)$ をこの順に既約分数で求めよ。

自然単位系 $\hslash =c=1$ をとり、換算プランク質量を $M_{\mathrm{Pl}}$ とする。平坦な FLRW 宇宙で、単一のスカラー場（インフラトン）$\varphi$ がポテンシャル
$$V(\varphi )={\mu }^{10/3}{\varphi }^{2/3}(\varphi >0,\mu >0\text{は定数})$$
の上をスローロールで転がり落ちてインフレーションを起こすとする。スローロール・パラメータを
$${ϵ}_V=\frac{M_{\mathrm{Pl}}^2}{2}{\left(\frac{V^{\prime }}{V}\right)}^2,{\eta }_V=M_{\mathrm{Pl}}^2\frac{V^{\prime \prime }}{V}$$
で定義し（${}^{\prime }$ は $\varphi$ による微分）、インフレーションは ${ϵ}_V=1$ となる場の値 ${\varphi }_{\mathrm{end}}$ で終わるとする。観測されるスケールがハッブル半径を横切ったときの場の値 ${\varphi }_{\ast }$ は、そこからインフレーション終了までの e-folding 数
$$N=\frac{1}{M_{\mathrm{Pl}}^2}{\int }_{{\varphi }_{\mathrm{end}}}^{{\varphi }_{\ast }}\frac{V}{V^{\prime }}d\varphi$$
が $N=60$ となる値で定める。スカラー（曲率）ゆらぎのスペクトル指数をスローロールの 1 次近似 $n_s=1-6{ϵ}_V+2{\eta }_V$（$\varphi ={\varphi }_{\ast }$ で評価）で計算するとき、$n_s$ の値を既約分数で求めよ。

光速を $c=1$ とする単位系を用いる。空間的に平坦な一様等方宇宙が、状態方程式 $p=\rho$（$w=1$、いわゆる硬い物質）に従う 1 成分の完全流体だけで支配されているとする。スケール因子 $a(t)$ はフリードマン方程式
$${\left(\frac{\dot{a}}{a}\right)}^2=\frac{8\pi G}{3}\rho$$
と連続の式
$$\dot{\rho }+3\frac{\dot{a}}{a}(\rho +p)=0$$
に従う（$G$ は万有引力定数、$\dot{}$ は宇宙時間 $t$ による微分）。宇宙は膨張しており（$\dot{a}>0$）、$t=0$ で $a=0$ とする。このとき $a(t)\propto t^n$ となる。指数 $n$ を求めよ。

空間的に平坦で、非相対論的物質が支配する宇宙（アインシュタイン–ド・ジッター宇宙）を考える。スケール因子は $a(t)\propto t^{2/3}$（$t>0$）、ハッブル・パラメータは $H=\dot{a}/a$、平均密度 $\bar{\rho }$ は $H^2=\frac{8\pi G}{3}\bar{\rho }$ を満たす（$G$ は万有引力定数）。

物質は小さな圧力をもち、その音速 $c_s$ は $a^{-1/2}$ に比例して変化するとする。共動波数 $k$ の密度ゆらぎ ${\delta }_k(t)$ は線形の方程式
$${\ddot{\delta }}_k+2H{\dot{\delta }}_k=\left(4\pi G\bar{\rho }-\frac{c_s^2{k}^2}{a^2}\right){\delta }_k$$
に従い、ジーンズ波数を $k_J=\frac{a\sqrt{4\pi G\bar{\rho }}}{c_s}$ で定義する。このとき $k_J$ は時間によらない定数になる。

$k=\frac{k_J}{2}$ のゆらぎについて、方程式が ${\delta }_k\propto t^n$ の形の解をもつような実数 $n$ のうち、大きいほう（成長モードの指数）を求めよ。

空間的に平坦で、非相対論的物質だけを含む宇宙（アインシュタイン・ド・ジッター宇宙）を考える。ハッブル・パラメータは赤方偏移 $z$ の関数として
$$H(z)=H_0(1+z{)}^{3/2}$$
で与えられる（$H_0>0$ は現在のハッブル定数、$c$ は光速）。共動距離を $\chi (z)={\int }_0^z\frac{cd{z}^{\prime }}{H(z^{\prime })}$、光度距離を $d_L=(1+z)\chi (z)$ で定義する。赤方偏移 $z=3$ の天体までの光度距離 $d_L$ を $c$ と $H_0$ を用いて表せ。