Observables from inflation: gravitational waves and magnetic fields

The inflationary paradigm represents a fascinating and elegant way of explaining crucial cosmological phenomena; moreover it is remarkably in agreement with current cosmological observations. However we are still blind to many aspects of the physics encoded in such a process and an unequivocal probe of such a mechanism is still lacking. On the other hand inflation suggests the solution to current open cosmological questions, as the observation of magnetic fields in the intergalactic medium. In order to investigate in depth the inflationary mechanism, one possibility is offered by the new era of gravitational wave detectors. In the first part of the thesis we focus on this aspect of the inflationary epoch. Any inflationary model predicts the production of a stochastic gravitational wave background (tensor modes) due to quantum fluctuations of the gravitational field. Moreover, in some scenarios, the presence of additional fields besides the inflaton and the gravitational field gives rise to efficient sources of gravitational waves, activating the so-called classical production. Inflationary gravitational wave signals turn out to represent a unique and exciting window on the origin and evolution of the universe, and a possibility of investigating the underlying theory of gravity. We point out the significant role of primordial gravitational waves in testing the inflationary mechanism itself and in constraining many aspects of the inflationary physics, exploiting the validity/violation of an inflationary consistency relation. Being inflationary gravitational waves a promising way of exploring many aspects of the physics of the early universe, we provide an updated picture of the current status and the observational prospects of inflationary tensor modes, with a particular focus on the possibility of a direct gravitational wave detection offered by current and upcoming laser interferometer detectors. Then we perform a dedicated forecast analysis of the capabilities of the LISA (Laser Interferometer Space Antenna) experiment in probing the inflationary physics. In particular, the capabilities of LISA in measuring a stochastic gravitational wave background are presented. Furthermore, we calculate the gravitational wave signal expected at the LISA frequencies for a number of selected inflationary models. We collect and re-elaborate current limits on the present time gravitational wave spectral energy density, and the sensitivity curves of LISA and other experiments, in order to outline current and expected constraints on the parameter space of the selected inflationary models. The results we find show the efficiency of the method, suggesting an exciting direction in order to investigate inflationary physics and a validation of the significant science that can be done by an experiment as LISA. In the second part of the thesis another interesting aspect of the inflationary mechanism is considered, i.e. the possibility of a significant magnetogenesis. Gamma-ray observations from blazars point out the presence of magnetic fields in the intergalactic medium, where no charged plasma are present. This fact suggests a primordial origin of such fields. Interestingly, the inflationary mechanism provides a fascinating way of explaining the presence of magnetic fields at cosmological scales. In a dedicated section, the main models of inflationary magnetogenesis are outlined. A common aspect of these models is the associated overproduction of curvature and tensor perturbations with respect to single-field slow-roll inflation. In general, observational constraints obtained by CMB measurements on such quantities lead to relevant restrictions on the associated production of magnetic fields. Other limits are provided by keeping under control the backreaction of the electromagnetic fields. In particular, we consider the case proposed from Caprini, where a magnetogenesis mechanism able to explain current gamma-ray observations and to start the galactic dynamo takes place. We calculate the correction to the scalar spectrum and bispectrum (the latter related to primordial non-gaussianities) with respect to single-field slow-roll inflation generated in such a scenario. We find that the strongest constraints on the model originate from the non-observation of a scalar bispectrum of CMB anisotropies. Nevertheless, we found that even when those stringent constraints are taken into consideration, that scenario provides a robust explanation of the observed magnetic fields for a reasonably high energy scale of inflation.

Il paradigma inflazionario rappresenta una modo affascinante ed elegante di spiegare alcuni cruciali fenomeni cosmologici; inoltre risulta in notevole accordo con le attuali osservazioni cosmologiche. Tuttavia, diversi aspetti della fisica di tale processo risultano ancora oscuri e una prova inequivocabile di tale meccanismo è ancora assente. Dall'altro lato, il meccanismo inflazionario si presenta come soluzione di problemi cosmologici ancora aperti, come l'osservazione di campi magnetici nel mezzo intergalattico. Per studiare in profondità il meccanismo inflazionario, una possibilità è offerta dalla nuova epoca di esperimenti per l'osservazione di onde gravitazionali. La prima parte della tesi è focalizzata su tale aspetto della fisica inflazionaria. Ciascun modello inflazionario predice la produzione di un fondo stocastico di onde gravitazionali (modo tensoriali) dovuti alle fluttuazioni quantistiche del campo gravitazionale. Inoltre, in alcuni scenari, la presenza di ulteriori campi oltre all'inflatone e al campo gravitazionale, genera efficaci sorgenti di onde gravitazionali, attivando la produzione classica. Il segnale di onde gravitazionali inflazionarie si rivela essere una unica e interessante finestra sull'origine e l'evoluzione dell'universo, e la possibilità di investigare la sottostante teoria della gravità. Nella tesi è mostrato il ruolo significativo delle onde gravitazionali primordiali nel testare il meccanismo inflazionario in sè e nel provare diversi aspetti della fisica inflazionaria, sfruttando la validità/violazione di una relazione di consistenza. Essendo le onde gravitazionali inflazionarie, un modo promettente di esplorare diversi aspetto della fisica dell'universo primordiale, è inoltre fornito un quadro aggiornato dello stato attuale e delle prospettive di osservazione dei modi tensoriali inflazionari, con una focalizzazione particolare sulla possibilità di osservazione diretta offerta dagli interferometri laser. Successivamente, sono esposte delle previsioni sulle possibilità offerte dell'interferometro spaziale LISA rispetto al testare la fisica inflazionaria. Nella seconda parte della tesi viene descritto un altro aspetto interessante della fisica inflazionaria, ovvero la possibilità di una significativa magnetogenesi. Le osservazioni di raggi gamma dai blazars indicano la presenza di campi magnetici nel mezzo intergalattico, dove non è presente plasma carico. Questo fatto suggerisce un'origine primordiale di tali campi magnetici. E' interessante notare che il meccanismo inflazionario fornisce un affascinante modo di spiegare la presenza di campi magnetici a scale cosmologiche. In una sezione dedicata, sono mostrati i principali modelli di magnetogenesi inflazionaria. Un aspetto comune di tale modelli è una sovra produzione di perturbazioni di curvatura e tensoriali, rispetto al modello inflazionario di single-field slow-roll. In generale, i limiti osservativi ottenuti da misurazioni di CMB su tali quantità comportano restrizioni significative sulla produzione di campi magnetici associata. Altri limiti sono imposti dal controllo della backreaction dei campi elettromagnetici. In particolare, nella tesi viene considerato il modello proposto da Caprini, in cui ha luogo una magnetogenesi in grado di spiegare le attuali osservazioni dei raggi gamma e di dare inizio al processo di dynamo galattica. Viene calcolata la correzione allo spettro e bispettro degli scalari rispetto al caso di single-field slow-roll, in tale scenario. Il risultato mostra come le restrizioni più forti siano dovute alla non osservazione di un bispettro degli scalari nelle anisotropie della CMB. Ciò nonostante, si conclude che anche quando tali restrizioni vengono prese in considerazione, lo scenario inflazioanrio in esame fornisce una robusta spiegazione dei campi magnetici osservati per una ragionevolmente alta scala di energia dell'inflazione.