[論文レビュー] Strong Primordial Inhomogeneities and Galaxy Formation

Maxim Khlopov, S. G. Rubin+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2002

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、インフレーション宇宙における2次相転移の過程で形成された不安定なドメインウォールに起因する強い初期不均一性に基づく、銀河形成の新しいメカニズムを提案する。これらのドメインウォールは、質量の大きなブラックホール集団へと崩壊する——それぞれが将来の銀河の核として機能する——これにより、銀河中心に観測される超大質量ブラックホールの数および質量分布に物理的根拠が与えられ、そのブラックホールの数は観測可能な銀河の数と同等である。

ABSTRACT

The new element of theory of galaxy formation, strong primordial inhomogeneities, is shown to be a reflection of unstable large scale structures of topological defects, created in second order phase transitions in the inflationary Universe. In addition to {\it archioles-like} large scale correlation of the primordial inhomogeneity of energy density of coherent scalar field oscillations, the same mechanism, based on the second order phase transitions on the inflational stage and the domain wall formation upon the end of inflation, leads to the formation of massive black hole clusters that can serve as nuclei for the future galaxies. The number of black holes with $M \sim 100M_{\odot}$ and above is comparable with the number of galaxies within the modern cosmological horizon. The primordial fractal structure of galaxies can find natural grounds in the framework of model we developed . The proposed approach offers the physical basis for new scenarios of galaxy formation in the Big Bang Universe.

研究の動機と目的

• 標準的崩壊モデルを超えた初期メカニズムを通じて、銀河中心に存在する大質量ブラックホールの起源を説明すること。
• インフレーション期の2次相転移がエネルギー密度に強い初期不均一性を生成するメカニズムを明らかにすること。
• トポロジカル欠陥の形成と銀河の大規模構造との物理的関連を確立すること。
• 特に擬スカラー・ニーマン＝ゴールドストーン場と対称性の自発的破れを含むモデルに根ざした、素粒子物理学に基づく銀河形成の新しいシナリオを提示すること。
• 観測可能な銀河の数と、崩壊するドメインウォールから形成された初期ブラックホールの数の整合性をとること。

提案手法

• インフレーション期に発生する2次相転移のモデル化を通じて、初期宇宙に不安定なドメインウォールが形成されることを検討する。
• 形成時における宇宙のホライズンサイズを超える閉じたドメインウォールの力学的挙動を解析し、インフレーション後の時代に崩壊する過程を検証する。
• これらのウォールが重力的崩壊を経て、質量が約100 M☉以上である大質量ブラックホール集団へと変化する過程を計算する。
• 擬スカラー・ニーマン＝ゴールドストーン（PNG）スカラー場のコherentな振動を用いて、初期エネルギー密度不均一性をモデル化する。
• 崩壊するウォールに起因する高エネルギー密度領域とその後のダークマターの過密度領域との相関関係を追跡する。
• コherentな場の振動およびその散逸が、銀河形成に適した局所的密度増強を誘発する役割を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インフレーション期の2次相転移がどのように初期エネルギー密度不均一性を生じさせるのか？
• RQ2 不安定なドメインウォールがインフレーション後の時代に、どのように大質量ブラックホール集団へと崩壊するのか？
• RQ3 このようなブラックホールの数は、観測可能な銀河の数と比べてどの程度か？
• RQ4 スカラー場のコherentな振動は、銀河核形成とどのように相関するのか？
• RQ5 このメカニズムは、銀河の観測されるフラクタル構造および銀河中心に存在する超大質量ブラックホールを自然に説明できるか？

主な発見

• 崩壊するドメインウォールから形成された、質量が100 M☉以上の初期ブラックホールの数は、観測可能な宇宙のホライズン内にある銀河の数と同等である。
• 形成時における宇宙のホライズンサイズを超える閉じたドメインウォールの崩壊は、将来的な銀河の核として機能する大質量ブラックホール集団の形成を引き起こす。
• 擬スカラー・ニーマン＝ゴールドストーン場のコherentな振動に起因する初期エネルギー密度不均一性は、高密度ダークマター領域と相関しており、銀河形成の物理的根拠を提供する。
• このメカニズムは、初期スカラー場の振動の大型不均一性を通じて、銀河のフラクタル構造を自然に説明する。
• このモデルは、初期密度摂動の緩やかな成長に依存しない、物理的に根拠のある新しい銀河形成シナリオを提供する。
• 小さな閉じたウォールの崩壊に起因するエネルギー密度の過剰は、局所的過密度を促進し、重力的崩壊の強化を通じて原始銀河の形成を容易にする。