[논문 리뷰] Can small scale structure ever affect cosmological dynamics

Julian Adamek, Chris Clarkson외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 12.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 소규모 구조가 반작용 효과를 통해 우주론적 역학에 상당한 영향을 미칠 수 있는지 조사한다. 뉴턴역학 및 일반상대론적 N체 시뮬레이션을 사용하여, 섭동 이론은 소규모 구조의 에너지가 많을수록 반작용 효과가 증가한다고 예측하지만, 비르발리제이션(virialization)은 이 효과를 포화시켜 초기 조건과 무관한 작은 일정 수준으로 제한함을 발견하였다. 이는 정밀 우주론 관측량에 백분율 수준의 기여가 가능하다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

The large-scale homogeneity and isotropy of the universe is generally thought to imply a well defined background cosmological model. It may not. Smoothing over structure adds in an extra contribution, transferring power from small scales up to large. Second-order perturbation theory implies that the effect is small, but suggests that formally the perturbation series may not converge. The amplitude of the effect is actually determined by the ratio of the Hubble scales at matter-radiation equality and today - which are entirely unrelated. This implies that a universe with significantly lower temperature today could have significant backreaction from more power on small scales, and so provides the ideal testing ground for understanding backreaction. We investigate this using two different N-body numerical simulations - a 3D Newtonian and a 1D simulation which includes all relevant relativistic effects. We show that while perturbation theory predicts an increasing backreaction as more initial small-scale power is added, in fact the virialisation of structure saturates the backreaction effect at the same level independently of the equality scale. This implies that backreaction is a small effect independently of initial conditions. Nevertheless, it may still contribute at the percent level to certain cosmological observables and therefore it cannot be neglected in precision cosmology.

연구 동기 및 목표

• 소규모 비균일성이 우주론적 역학에서 상당한 반작용을 유도할 수 있는지 평가하기.
• 소규모 구조에서 유도된 반작용 효과를 예측하는 데 있어 두 번째 차수 섭동 이론의 타당성을 검증하기.
• 초기 소규모 구조의 에너지가 반작용을 증폭시키는지, 아니면 비르발리제이션이 이를 일정 수준으로 제한하는지 결정하기.
• 다른 물질-복사 평형 스케일을 가진 우주에서 반작용의 역할을 평가하기, 특히 정밀 우주론에서의 역할을 고려하여.

제안 방법

• 통계적으로 균일한 우주에서 중력 응집과 반작용을 모델링하기 위해 3차원 뉴턴역학 N체 시뮬레이션을 사용한다.
• 모든 관련 일반상대론적 효과를 포함한 1차원 일반상대론적 N체 시뮬레이션을 수행하여 정확한 반작용 모델링을 한다.
• 두 시뮬레이션의 결과를 비교하여 일관성과 일반상대론적 보정의 영향을 평가한다.
• 이론적 기준으로 두 번째 차수 섭동 이론을 사용하여 시뮬레이션 결과를 해석한다.
• 비선형 구조 형성으로 인해 소규모 스케일에서 대규모 스케일로 에너지가 이행되는 과정을 분석한다.
• 반작용의 의존성과 물질-복사 평형 시점과 오늘의 허블 스케일 비율 간의 관계를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 소규모 스케일 에너지가 증가할수록 우주론적 역학에서 반작용 효과도 비례하여 증가하는가?
• RQ2 비르발리제이션이 초기 에너지의 크기에 관계없이 반작용의 크기를 어느 정도 제한하는가?
• RQ3 뉴턴 근사에 비해 일반상대론적 효과는 반작용 계산에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 반작용 효과가 작더라도 정밀 우주론에서 측정 가능한 수준에 도달할 수 있는가?
• RQ5 반작용에 대한 섭동 급수는 수렴할 것으로 예상되는가, 아니면 비선형성으로 인해 붕괴되는가?

주요 결과

• 반작용은 초기 소규모 스케일 에너지가 증가함에 따라 무한정 증가하지 않으며, 오히려 비르발리제이션으로 인해 일정 수준으로 포화된다.
• 반작용의 포화 수준은 초기 소규모 스케일 에너지 스펙트럼의 진폭과 무관하다.
• 반작용의 진폭은 물질-복사 평형 시점의 허블 스케일과 오늘의 허블 스케일 비율에 의해 결정되며, 이 두 값은 크기에서 서로 무관하다.
• 두 번째 차수 섭동 이론은 초기 에너지가 많을수록 반작용이 증가한다고 예측하지만, 시뮬레이션 결과는 이 예측이 비선형 비르발리제이션으로 인해 붕괴됨을 보여준다.
• 일반상대론적 시뮬레이션과 뉴턴역학적 시뮬레이션의 결과는 일치하여, 일반상대론적 보정이 반작용 포화 효과를 정성적으로 변화시키지 않는다는 것을 시사한다.
• 비록 작지만 반작용은 여전히 일부 우주론적 관측량에 백분율 수준의 기여를 할 수 있으며, 정밀 우주론에서 고려할 만하다.