[論文レビュー] Primordial viscosity, diffusivity, Reynolds numbers, sound and turbulence in the beginnings of gravitational structure formation

Carl H. Gibson|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 1999

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

論文は、初期プラズマにおける原始的粘性と弱い乱流が最初の宇宙構造の形成を支配したと提案している。レイノルズ数 Re ≈ 200 が、化石化された渦度と音響的減衰を可能にし、それが宇宙背景放射の揺らぎを説明する。自己重力的上昇力による乱流の化石化は、原始スーパoclusterの空洞とその後の原始銀河の形成を引き起こした。一方、大規模なスケールでは、拡散的で弱い衝突を伴う粒子からダークマターのハローが形成された。

ABSTRACT

The first structures were proto-voids formed in the primordial plasma. Viscous and weak turbulence forces balanced gravitational forces when the scale of causal connection at time 30,000 years matched the viscous and turbulent Schwarz scales of hydro-gravitational theory (Gibson 1996). The photon viscosity allows only weak turbulence from the Reynolds number Re = 200, with fragmentation to give proto-supercluster voids, buoyancy forces, fossil vorticity turbulence, and strong sonic damping. The expanding, cooling, plasma continued fragmentation to proto-galaxy-mass with the density and rate-of-strain preserved as fossils of the weak turbulence and first structure. Turbulence fossilization by self-gravitational buoyancy explains the cosmic microwave background temperature fluctuations, not sonic oscillations in cold-dark-matter fragments. After plasma to gas transition at 300,000 years, gas fragmentation occurred within the proto-galaxies to form proto-globular-star-cluster (PGCs) clouds of small-planetary-mass primordial-fog-particles (PFPs). Dark PGC clumps of frozen PFPs persist as the inner-galaxy-halo dark matter, supporting Schild's 1996 quasar-microlensing interpretation. Non-baryonic dark matter diffused into the plasma proto-cluster-voids and later fragmented as outer-galaxy-halos at diffusive Schwarz scales, indicating light, weakly-collisional fluid particles (possibly neutrinos). Observations support the theory (Gibson and Schild 2003).

研究の動機と目的

• 冷たいダークマターの断片における音響振動に依存せずに、宇宙背景放射の温度揺らぎの起源を説明すること。
• 最初の大規模構造形成過程において、粘性力および乱流力が重力をどのように均衡させたかを調査すること。
• 原始的プラズマからガスへの遷移と、原始銀河および原始球状星団への断片化をモデル化すること。
• 非バリオン系ダークマター粒子の拡散的断片化によって、銀河ハロー内のダークマター分布を説明すること。
• クェーサーのマイクロレンズ観測と整合する、初期構造形成の流体・重力的モデルを統合すること。

提案手法

• 30,000年における原始的プラズマを記述するため、粘性および乱流応力項を含む流体・重力理論を適用した。
• レイノルズ数 (Re ≈ 200) を用いて弱い乱流の程度とその構造断片化への寄与を定量化した。
• 初期乱流から生じた密度場およびひずみ率場の化石化を追跡し、持続的構造的インプリントを分析した。
• 300,000年におけるプラズマからガスへの遷移をモデル化し、原始的球状星団雲（PGC）の形成を可能にした。このPGCは、原始的霧粒子（PFP）から構成された小惑星質量の雲であった。
• 非バリオン系ダークマターの断片化を記述するため、拡散的シュバルツシルトスケールを導入した。
• 凍結したPFPクラスタがSchildの1996年のクェーサーのマイクロレンズ解釈（ダークマター）と一致することを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最初の宇宙構造形成において、粘性力および乱流力は重力をどのように均衡させたか？
• RQ2 弱い乱流（Re ≈ 200）は、観測された宇宙背景放射の温度揺らぎを生成するために果たした役割は何か？
• RQ3 初期乱流に起因する化石化済みの渦度および密度勾配は、どのように原始スーパoclusterの空洞を形成したか？
• RQ4 原始的プラズマの断片化から原始銀河質量構造が形成されるメカニズムは何か？
• RQ5 内側ハローの凍結PFPクラスタと外側スケールにおける拡散的ダークマターは、観測された銀河のダークマター分布をどのように説明できるか？

主な発見

• 原始的プラズマにおけるレイノルズ数 Re ≈ 200 は、乱流を弱いレベルに制限し、渦度およびひずみ場の化石化を可能にした。
• 宇宙背景放射の温度揺らぎは、冷たいダークマター断片内の音響振動ではなく、化石化された流体・重力的乱流に起因する。
• 因果的接続スケールが30,000年におけるシュバルツシルトスケールと一致した際、粘性および乱流的断片化によって原始スーパoclusterの空洞が形成された。
• 初期乱流に起因する密度およびひずみ率場は「化石」として保存され、原始銀河質量構造の種となった。
• 再結合の300,000年後にガスの断片化が起こり、小惑星質量の原始的霧粒子（PFP）から成る原始的球状星団雲（PGC）が形成された。
• 内側銀河ハロー内の凍結PFPクラスタはSchildの1996年のクェーサーのマイクロレンズ観測を説明するが、外側ハローは拡散的で弱い衝突を伴うダークマターが拡散的シュバルツシルトスケールで形成された。