[論文レビュー] Low primordial information content in the Milky Way with warm dark matter

Mark C. Neyrinck|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2014

Statistical Mechanics and Entropy被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、温い暗黒物質（WDM）の下で、銀河の形成に寄与したパッチの原始的情報量を調査しており、1 keVのWDM粒子を仮定すると、初期条件にはたった約10億個の独立した「ピクセル」しか含まれないことが判明した。これは、銀河の星の数よりもはるかに少ない。この低い情報量は、滑らかな初期条件から高次の銀河的構造が生じ得るとする仮説に反するものであり、原始的決定論と非原始的情報源が無視できるという強い仮定の下では、このような低質量のWDMは不適切であると考えられる。

ABSTRACT

We speculatively examine some issues related to the information content of primordial patches that collapse to form galaxies like the Milky Way. If the dark matter is warm, or if some other process dramatically suppressed small-scale density fluctuations, then the patch that formed the Milky Way would have had low primordial information content. Depending on assump-tions about the accuracy with which the initial conditions are specified, the patch would have contained only several billion independent information-carrying ‘pixels ’ if the warm-dark-matter (WDM) particle had a mass of 1 keV. This number of ‘pixels ’ is much less than even the number of stars in the Milky Way. Like other recent observational tests, this would provide an argument disfavoring such a low mass, under two strong assumptions: (1) a high degree of structure in the Milky Way cannot arise from very smooth initial conditions, and (2) non-primordial information/randomness sources are negligible. An example of a non-primordial information source is a central black hole with an accretion disk and jets, which in princi-ple could broadcast small-scale quantum fluctuations throughout the galaxy. This brings up a question, and even, in principle, a test (if the dark matter is warm) about the scale at which structure in the Galaxy is entirely deterministic from the initial conditions. Key words: large-scale structure of Universe – cosmology: theory

研究の動機と目的

• 温い暗黒物質（WDM）の仮定の下で、銀河が形成された初期パッチの原始的情報量を評価すること。
• 観測された高い銀河的構造が、低い情報量の初期条件から生じ得るかどうかを評価すること。
• 予測された初期情報量と銀河の複雑さを比較することで、低質量WDM（例：1 keV）の妥当性を検証すること。
• 中心のブラックホールと降着円盤などの非原始的情報源が、原始的構造を隠蔽または補完する役割を果たす可能性を調査すること。
• 特に小スケールにおいて、WDMシナリオ下で銀河の構造が初期条件から完全に決定可能かどうかを検討すること。

提案手法

• 1 keVの粒子質量を有する温い暗黒物質の下で、銀河を形成した初期密度揺らぎパッチをモデル化すること。
• WDMにおける自由行程による小スケール密度揺らぎの抑制を考慮し、原始パッチに含まれる独立した情報保持「ピクセル」の数を推定すること。
• 初期条件を有限の情報源として扱う理論的枠組みを適用し、情報量を自由度または独立モードの観点で定量化すること。
• 推定された原始的「ピクセル」数を、銀河に含まれる星の数（約10^11個）と比較し、このような低い情報量が観測された銀河的構造を説明できるかどうかを評価すること。
• ジェットや降着円盤を伴う活発な銀河核のような非原始的情報源が、銀河全体の情報量に与える影響を評価すること。
• 初期条件からのすべての構造がWDM下で追跡可能かどうかを検討することで、銀河的構造の決定論的性質を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 もし暗黒物質が1 keVの温いものであれば、銀河を形成した原始パッチに含まれる独立した情報保持「ピクセル」はいくつになるか？
• RQ2 原始的決定論を仮定する場合、観測された高い構造が、このような低情報量の初期状態から生じ得るのか？
• RQ3 中心のブラックホールと降着円盤のような非原始的源が、銀河の情報量にどれほど寄与し、原始的決定論を損なう可能性があるか？
• RQ4 どのスケールで、銀河の構造が低質量WDMシナリオ下での初期条件からの完全な決定性と矛盾するようになるか？
• RQ5 温い暗黒物質の文脈において、銀河的構造の原始的起源と非原始的起源の間には、検証可能な違いがあるだろうか？

主な発見

• 1 keVの温い暗黒物質粒子を仮定すると、銀河を形成した原始パッチには約10億個の独立した情報保持「ピクセル」しか含まれない。
• この原始的「ピクセル」数は、銀河に含まれる星の数（約10^11個）よりも顕著に少ないため、観測された構造を説明するには初期情報量が不十分であると考えられる。
• この低い情報量は、高次の構造が非常に滑らかな初期条件から生じ得ないと仮定する場合、低質量WDM（1 keV）の妥当性を疑問視するものである。
• この結果は2つの強い仮定に依存している：（1）高次の構造は非常に滑らかな初期条件から生じ得ない、（2）非原始的情報源は無視できる。
• 非原始的源（例：中心のブラックホールと降着円盤、ジェット）は、原理的には銀河全体に小スケールの量子揺らぎを広め、初期条件とは独立した構造を導入する可能性がある。
• 本研究は、特に温い暗黒物質の文脈において、構造が初期条件から非決定的になるスケールを調査することで、原始的起源と非原始的起源の間の検証可能な違いを示唆している。