[論文レビュー] Realistic coarse-grained cosmic structure from Szekeres models

Roberto A. Sussman, Ismael Delgado Gaspar|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2015

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、Szekeresダストモデルを用いた自己無矛盾で相対論的かつ非摂動的な手法を提示し、全時刻において所定の空間的位置に配置された粗大化された宇宙構造（密度異常や空洞など）を構築する。自由パラメータを固定する初期条件を設定することにより、摂動理論に依存せずに大規模構造形成を完全に相対論的に記述できる。

ABSTRACT

A systematic self–consistent procedure is provided to describe by means of the Szekeres dust models the evolution of multiple self–gravitating cold dark matter structures (over–densities and density voids), whose spatial location can be prescribed beforehand for all times by suitable initial conditions that define the free parameters of the models. Following this procedure makes it possible to obtain a fully relativistic non–perturbative coarse grained description of actually existing cosmic structure at various scales. We discuss possible astrophysical and cosmological applications.

研究の動機と目的

• 複数の自己重力的宇宙構造（密度異常や空洞を含む）を自己無矛盾で完全に相対論的な枠組みでモデル化するためのフレームワークの構築。
• 初期条件を通じて、全時刻におけるこれらの構造の空間的位置を指定可能にする。
• 標準的な宇宙論的モデルの摂動理論に代わる粗大化された非摂動的代替手法として、大規模構造を記述する。
• 非一様物質分布の正確な相対論的モデルの天文学的・宇宙論的応用の基盤を確立する。

提案手法

• 非自転的かつ非一様なダスト分布に対するアインシュタイン方程式の正確解であるSzekeresダストモデルを用いる。
• 初期条件を課してSzekeresモデルの自由パラメータを固定し、初期段階での構造の空間的配置を事前に定義する。
• 摂動近似を一切用いない完全なアインシュタイン方程式の解法により、自己無矛盾性を確保する。
• 線形化または統計的近似を避けることで、すべてのスケールで相対論的妥当性を維持する。
• 冷たい暗黒物質の構造の進化を、完全に非摂動的に記述するためにモデルを適用する。
• Szekeresモデルが持つ内在的な幾何的自由度を活用し、構造の任意の空間的配置を扱えるようにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 正確で非摂動的な相対論的モデルは、所定の空間的位置に配置された複数の自己重力的宇宙構造の進化をどのように記述できるか？
• RQ2 Szekeresモデルに密度異常と空洞を埋め込み、それらの位置を全時刻にわたり固定するにはどのような初期条件が必要か？
• RQ3 Szekeresモデルは、摂動理論に依存せずに、完全に相対論的な粗大化された宇宙構造の記述を可能にするか？
• RQ4 このようなモデルは、非一様物質分布を含む宇宙論的・天文学的応用にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 本手法は、所定の空間的配置を持つ完全に相対論的で非摂動的な宇宙構造の記述を成功裏に構築した。
• 初期条件がSzekeresモデルの自由パラメータを一意に決定し、構造の空間的位置が進化全般にわたり固定されることを保証する。
• 摂動理論の制限を回避でき、さまざまなスケールにおける非一様構造の正確なモデル化が可能である。
• フレームワークは自己無矛盾であり、密度異常領域および低密度空洞の両方に対応可能であり、宇宙構造の統一的記述を提供する。
• 非一様性の正確な相対論的取り扱いが不可欠な天文学的・宇宙論的応用において、本モデルは適している。