[논문 리뷰] On the kinematics of large-scale peculiar motions

Eleni Tsaprazi, Christos G. Tsagas|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 12.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 우주론적 섭동 이론을 사용하여 상대론적 프리드만 우주에서 대규모 특이 운동을 조사한다. 관찰자는 유동과 함께 운동하는 관찰자에 초점을 맞춘다. 장파장에서 특이 속도는 뉴턴역학의 $a^{1/2}$ 법칙보다 훨씬 빠르게 $a^2$로 증가한다. 이는 대규모 운동에 의해 생성된 에너지 흐름의 중력 피드백 때문이며, 이는 이전에 예상한 것보다 더 빠르고 더 큰 특이 유동을 암시한다.

ABSTRACT

We consider the linear kinematics of large-scale peculiar motions in a perturbed Friedmann universe. In so doing, we take the viewpoint of the real observers that move along with the peculiar flow, relative to the smooth Hubble expansion. Using relativistic cosmological perturbation theory, we study the linear evolution of the peculiar velocity field, as well as the expansion/contraction, the shear and the rotation of the bulk motion. Our solutions show growth rates considerably stronger than those of the earlier treatments, which were mostly Newtonian. On scales near and beyond the Hubble radius, namely at the long-wavelength limit, peculiar velocities are found to grow as $a^2$, in terms of the scale factor, instead of the Newtonian $a^{1/2}$-law. We attribute this to the fact that, in general relativity, the energy flux, triggered here by the peculiar motion of the matter, also contributes to the local gravitational field. In a sense, the bulk flow gravitates, an effect that has been bypassed in related relativistic studies. These stronger growth-rates imply faster peculiar velocities at horizon crossing and higher residual values for the peculiar-velocity field. Alternatively, one could say that our study favours bulk peculiar flows larger and faster than anticipated.

연구 동기 및 목표

• 상대론적 우주론적 섭동 이론을 사용하여 구조 형성의 선형 영역에서 흐름과 함께 운동하는 관찰자의 관점에서 대규모 특이 운동의 운동학을 분석하기.
• 실제로 흐름과 함께 운동하는 관찰자의 관점에서 특이 속도, 팽창/수축, 비틀림, 그리고 회전의 행동을 모델링하기.
• 장파장에서 뉴턴적 처리보다 더 강한 특이 속도 성장률이 발생하는 원인을 규명하기.
• 특이 운동에서 발생하는 에너지 흐름이 국소 중력장에 어떻게 기여하는지 조사하기. 이는 이전의 상대론적 연구에서 간과된 요소이다.

제안 방법

• 특이 유동과 함께 운동하는 관찰자의 관점에서, 선형 영역의 구조 형성에 대해 상대론적 우주론적 섭동 이론을 적용한다.
• 일반 상대성 이론의 역학에 따라 특이 속도장, 팽창/수축, 비틀림(회전)의 진화를 추적한다.
• 장파장(헤블 라디우스) 근사에서 특이 운동의 주요 성장 행동을 분리하기 위해 분석한다.
• 물질 운동에 의해 생성된 에너지 흐름이 중력을 어떻게 유도하는지 명시적으로 포함시켜, 뉴턴적 및 이전의 상대론적 처리와 차별화한다.
• 스케일 인자 $a$에 따라 해를 유도하며, 특이 속도의 성장 법칙에 초점을 맞춘다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상대론적 천체우주론 틀에서 장파장 근사에서 특이 속도는 어떻게 진화하는가?
• RQ2 왜 상대론적 모델은 뉴턴 모델보다 특이 속도의 성장률을 더 크게 예측하는가?
• RQ3 특이 운동에서 발생하는 에너지 흐름이 섭동된 프리드만 우주에서 국소 중력장에 어느 정도 기여하는가?
• RQ4 상대론적 효과를 포함함으로써 팽창, 비틀림, 회전을 포함한 대규모 유동의 운동학은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 장파장에서 특이 속도는 $a^2$로 증가하며, 이는 뉴턴역학의 $a^{1/2}$ 법칙보다 훨씬 빠르게 증가한다.
• 강화된 성장은 특이 운동에 의해 생성된 에너지 흐름의 중력 피드백 때문이며, 이는 뉴턴적 처리에서 존재하지 않는 항이다.
• 대규모 흐름 자체가 중력을 유도한다. 이는 이전의 상대론적 연구에서 간과된 효과이며, 특이 속도의 성장을 강화한다.
• 이러한 더 강한 성장률은 특이 속도가 시력 경계에 도달할 때 더 높은 값을 가지며 잔류 진폭이 더 크다는 것을 암시한다.
• 결과적으로 대규모 대류 유동은 천체우주 모델에서 이전에 추정한 것보다 더 빠르고 더 크다는 것이 암시된다.