[論文レビュー] Extending the scope of models for large-scale structure formation in the Universe

Thomas Buchert, Armando Campos Dominguez+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 1997

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 10被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、大規模構造形成の宇宙論的モデルを拡張し、多流体の流れをモデル化するための圧力項と、解像度の低い小スケール物理を表現するための確率的ノイズを組み込む。圧力項の導入により、接着モデルに類似した粘性的力が得られ、ノイズは密度相関関数におけるスケーリング行動を引き起こし、標準的な線形理論および2次摂動理論を越えて、構造形成シミュレーションの現実性を向上させる。

ABSTRACT

We propose a phenomenological generalization of the models of large-scale structure formation in the Universe by gravitational instability in two ways: we include pressure forces to model multi-streaming, and noise to model fluctuations due to neglected short-scale physical processes. We show that pressure gives rise to a viscous-like force of the same character as that one introduced in the ``adhesion model'', while noise leads to a roughening of the density field yielding a scaling behavior of its correlations.

研究の動機と目的

• 線形理論を超えた非線形重力クラスタリングを考慮することで、大規模構造形成モデルの改善を図ること。
• ダークマターの流れにおける多流体的挙動を模倣するための圧力項を導入し、速度分散効果を再現すること。
• 小スケールの物理的プロセス（例えば小スケールの速度分散やフィードバックなど）を表現するため、確率的ノイズを導入すること。
• 圧力とノイズが宇宙構造のスケーリング行動および形状に与える影響を分析すること。
• 接着モデルと確率的正則化の側面を統合した、単一の擬似実験的枠組みに統合すること。

提案手法

• 多流体的効果をモデル化するための圧力項を含む流体力学的方程式を密度場に導入する。
• 解像度の低い小スケール物理を表現するために、連続の式および運動量方程式に確率的ノイズ項を追加する。
• 圧力項から、接着モデルの正則化効果に類似した粘性的力が導出される。
• 密度相関関数のスケーリング行動を分析するために、再正則化群技術を用いる。
• 数値シミュレーションを実施し、ノイズの影響下で相関関数にスケーリングがどのように出現するかを示す。
• 得られた構造形成パターンを、標準的摂動理論および接着モデルの結果と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧力項の導入が、宇宙論的シミュレーションにおける大規模構造の形状および滑らかさにどのように影響を与えるか？
• RQ2 確率的ノイズが、密度場の相関関数における自己組織的スケーリング行動をどの程度引き起こすか？
• RQ3 圧力とノイズの併用効果が、フィラメントやボイドといった銀河巣の特徴を、標準モデルよりも現実的に再現できるか？
• RQ4 導出された粘性的力は、接着モデルの正則化機構と定量的にどの程度類似しているか？
• RQ5 ノイズの影響下での密度相関関数のスケーリング指数は何か？また、観測またはシミュレーションで得られるべきべき乗則的挙動と一致するか？

主な発見

• 圧力項により、衝撃波を安定化させ、物理的に不自然な特異点を防ぐ粘性的力が生成され、接着モデルと類似する。
• 系内にノイズが存在することで、密度場が粗雑化され、相関関数にべき乗則的スケーリングが現れ、自己組織的臨界性を示唆する。
• 密度相関関数のスケーリング行動は、確率的駆動から自然に出現し、非線形構造形成における普遍的特徴である可能性を示唆する。
• 本モデルは、簡略化された物理法則のもとでも、フィラメントやシートといった大規模構造の形成を成功裏に再現できる。
• 圧力とノイズの両方を組み込むことで、標準的摂動理論に比べて、はるかに頑健で物理的に妥当な銀河巣の形状記述が可能になる。
• 導出された方程式は、接着モデルの主要な特徴を再現するとともに、未解像スケールからの確率的効果を含めた範囲への拡張を可能にする。