[論文レビュー] Can small scale structure ever affect cosmological dynamics

Julian Adamek, Chris Clarkson+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2014

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、バックレアージョン効果を通じて、小スケール構造が宇宙論的力学に顕著に影響を与えるかどうかを調査する。ニュートン的および一般相対論的N体シミュレーションを用いて、摂動理論では小スケールパワーが増加するにつれてバックレアージョンが増大すると予測されるが、準動的平衡状態（virialization）がこの効果を飽和させ、初期条件に依存しない小さな定常レベルに制限することが判明した。これは、バックレアージョンが精度宇宙論観測量にパーセントレベルで寄与する可能性があることを示唆している。

ABSTRACT

The large-scale homogeneity and isotropy of the universe is generally thought to imply a well defined background cosmological model. It may not. Smoothing over structure adds in an extra contribution, transferring power from small scales up to large. Second-order perturbation theory implies that the effect is small, but suggests that formally the perturbation series may not converge. The amplitude of the effect is actually determined by the ratio of the Hubble scales at matter-radiation equality and today - which are entirely unrelated. This implies that a universe with significantly lower temperature today could have significant backreaction from more power on small scales, and so provides the ideal testing ground for understanding backreaction. We investigate this using two different N-body numerical simulations - a 3D Newtonian and a 1D simulation which includes all relevant relativistic effects. We show that while perturbation theory predicts an increasing backreaction as more initial small-scale power is added, in fact the virialisation of structure saturates the backreaction effect at the same level independently of the equality scale. This implies that backreaction is a small effect independently of initial conditions. Nevertheless, it may still contribute at the percent level to certain cosmological observables and therefore it cannot be neglected in precision cosmology.

研究の動機と目的

• 小スケール非一様性が宇宙論的力学に顕著なバックレアージョンを引き起こすかどうかを評価すること。
• 小スケール構造からのバックレアージョン効果を予測する二次摂動理論の妥当性を検証すること。
• 初期小スケールパワーがバックレアージョンを増幅させるのか、それとも準動的平衡状態が定常レベルに制限するのかを特定すること。
• 特に物質-放射均衡スケールが異なる宇宙におけるバックレアージョンの役割を精度宇宙論の文脈で評価すること。

提案手法

• 統計的に一様な宇宙における重力的クラスタリングとバックレアージョンをモデル化するため、3次元ニュートン的N体シミュレーションを採用する。
• すべての関連する一般相対論的効果を含む1次元一般相対論的N体シミュレーションを実施し、正確なバックレアージョンモデリングを実現する。
• 両シミュレーションの結果を比較して一貫性と一般相対論的補正の影響を評価する。
• 理論的ベンチマークとして二次摂動理論を用い、シミュレーション結果の解釈を支援する。
• 非線形構造形成に起因する小スケールから大スケールへのエネルギー伝達を分析する。
• バックレアージョンが物質-放射均衡時のハッブルスケールと現在のハッブルスケール比にどのように依存するかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期小スケールパワーを増加させると、宇宙論的力学におけるバックレアージョン効果もそれに応じて増大するのか？
• RQ2 構造の準動的平衡状態が、初期パワーにかかわらずバックレアージョンの大きさをどの程度制限するのか？
• RQ3 ニュートン近似と比較して、一般相対論的効果はバックレアージョン計算にどのように影響するか？
• RQ4 バックレアージョン効果は、小さくても精度宇宙論において測定可能なレベルに達する可能性があるか？
• RQ5 バックレアージョンの摂動級数は収束するのか、それとも非線形性によって破綻するのか？

主な発見

• バックレアージョンは初期小スケールパワーに比例して無限に増大するのではなく、構造の準動的平衡状態によって定常レベルに飽和する。
• バックレアージョンの飽和レベルは初期小スケールパワースペクトルの振幅に依存しない。
• バックレアージョンの振幅は、物質-放射均衡時のハッブルスケールと現在のハッブルスケールの比によって決定され、これらは大きさの面で無関係である。
• 二次摂動理論では初期パワーが増加するにつれてバックレアージョンが増大すると予測されるが、シミュレーションでは非線形的準動的平衡状態のためこの予測が破綻することが判明した。
• 一般相対論的およびニュートン的シミュレーションの結果は一貫しており、一般相対論的補正がバックレアージョン飽和効果を定性的に変えることはないことが示された。
• わずかに小さいものの、バックレアージョンは依然として特定の宇宙論的観測量にパーセンタイルレベルで寄与する可能性があり、精度宇宙論における取り扱いが正当化される。