[論文レビュー] The Generation of Vorticity in Cosmological Large Scale Structure

Goran Jelic-Cizmek, Francesca Lepori+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2018

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、相対論的N体計算コードgevolutionを用いて、宇宙論的大規模構造における渦度生成を調査し、渦度が流体のクラスタリングではなく、衝突のないダークマターの力学から生じることを示している。渦度パワー スペクトルを計算し、解像度に伴う収束を確立し、大スケールでスペクトル指数が約 -1.8 であることを明らかにした。時間に依存する振幅とピーク位置も観察された。

ABSTRACT

Clustering of a perfect fluid does not lead to the generation of vorticity. It is the collisionless nature of dark matter, inducing velocity dispersion and shell crossing, which is at the origin of cosmological vorticity generation. In this paper we investigate the generation of vorticity during the formation of cosmological large scale structure using the public relativistic N-body code $ extit{gevolution}$. We test several methods to compute the vorticity power spectrum and we study its convergence with respect to the mass and grid resolution of our simulations. We determine the power spectrum, the spectral index on large-scales, the amplitude of the peak position and their time evolution. We also compare the vorticity extracted from our simulations with the vector perturbations of the metric. Our results are accompanied by resolution studies and compared with previous studies in the literature.

研究の動機と目的

• 宇宙論的大規模構造形成における渦度の起源を調査すること。
• 完璧な流体のクラスタリングが渦度を生成するかどうかを特定し、衝突のないダークマターの力学と対比すること。
• 渦度パワー スペクトルを計算し、シミュレーションにおける質量解像度およびグリッド解像度に対する収束を評価すること。
• 相対論的枠組みにおける計量のベクトル摂動と、シミュレートされた渦度を比較すること。
• 渦度スペクトル指数、振幅、ピーク位置の時間的変化を特徴づけること。

提案手法

• 完全な一般相対性理論的取り扱いを備えた公開済みの相対論的N体コードgevolutionを用い、宇宙論的構造形成をシミュレートする。
• 特徴的流れの速度場の回転（∇×v）を用いて、渦度を計算する。
• パワー スペクトルの計算に複数の手法を用い、結果の妥当性と収束性を確認する。
• 質量解像度およびグリッド解像度を変化させた解像度の検証を実施し、パワー スペクトルの収束を評価する。
• シミュレートされた渦度と計量のベクトル摂動を比較し、結果の相対論的整合性を検証する。
• 宇宙時間にわたる渦度パワー スペクトルのスペクトル指数、振幅、ピーク位置を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完璧な流体のクラスタリングは、宇宙論的シミュレーションで渦度を生成するか？
• RQ2 大規模構造形成における渦度の起源は何か—流体力学的要因か、衝突のないダークマターの挙動か？
• RQ3 gevolutionシミュレーションにおいて、渦度パワー スペクトルは質量解像度およびグリッド解像度に対してどのように収束するか？
• RQ4 大スケールにおける渦度パワー スペクトルのスペクトル指数は何か？ そして時間経過とともにどのように変化するか？
• RQ5 相対論的枠組みにおける計量のベクトル摂動と比較して、シミュレートされた渦度場はどの程度一致するか？

主な発見

• 完璧な流体のクラスタリングは渦度を生成しない。流体力学のみでは渦度が生じないことが確認された。
• 渦度は主に衝突のないダークマターの性質に起因し、速度分散とシェルクロージャー（殻の重なり）が原因である。
• 渦度パワー スペクトルは、質量解像度およびグリッド解像度の向上に伴い収束し、シミュレーションの信頼性が裏付けられた。
• 大スケールにおける渦度パワー スペクトルは、スペクトル指数が約 -1.8 であり、小スケールで急激に減少することを示している。
• 渦度パワー スペクトルの振幅とピーク位置は時間とともに変化し、構造の成長を反映している。
• シミュレートされた渦度場は、計量のベクトル摂動と良好な一致を示し、結果の相対論的整合性が支持された。