[논문 리뷰] Primordial viscosity, diffusivity, Reynolds numbers, sound and turbulence in the beginnings of gravitational structure formation

Carl H. Gibson|arXiv (Cornell University)|1999. 11. 15.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

논문은 초기 플라즈마에서의 원시 점성과 약한 난류가 첫 번째 천체 구조의 형성에 지배적임을 제안하며, 레이놀즈 수 Re ≈ 200이 고착된 소용돌이와 음속 감쇠를 가능하게 하여 우주 마이크파 배경의 변동을 설명한다. 자기중력 떠오름에 의한 난류 고착은 원시 초은하단 공백과 이후 원시은하 형성으로 이어졌고, 더 큰 척도에서는 약한 충돌성 입자들이 확산되어 다크 물질 허브가 형성되었다.

ABSTRACT

The first structures were proto-voids formed in the primordial plasma. Viscous and weak turbulence forces balanced gravitational forces when the scale of causal connection at time 30,000 years matched the viscous and turbulent Schwarz scales of hydro-gravitational theory (Gibson 1996). The photon viscosity allows only weak turbulence from the Reynolds number Re = 200, with fragmentation to give proto-supercluster voids, buoyancy forces, fossil vorticity turbulence, and strong sonic damping. The expanding, cooling, plasma continued fragmentation to proto-galaxy-mass with the density and rate-of-strain preserved as fossils of the weak turbulence and first structure. Turbulence fossilization by self-gravitational buoyancy explains the cosmic microwave background temperature fluctuations, not sonic oscillations in cold-dark-matter fragments. After plasma to gas transition at 300,000 years, gas fragmentation occurred within the proto-galaxies to form proto-globular-star-cluster (PGCs) clouds of small-planetary-mass primordial-fog-particles (PFPs). Dark PGC clumps of frozen PFPs persist as the inner-galaxy-halo dark matter, supporting Schild's 1996 quasar-microlensing interpretation. Non-baryonic dark matter diffused into the plasma proto-cluster-voids and later fragmented as outer-galaxy-halos at diffusive Schwarz scales, indicating light, weakly-collisional fluid particles (possibly neutrinos). Observations support the theory (Gibson and Schild 2003).

연구 동기 및 목표

• 냉각 다크 물질 조각 내의 음속 진동에 의존하지 않고, 우주 마이크파 배경 온도 변동의 기원을 설명하기 위해.
• 첫 번째 대규모 천체 구조 형성 과정에서 점성력과 난류력이 중력을 어떻게 균형을 이루었는지 조사하기 위해.
• 원시 플라즈마에서 기체로의 전이 및 원시은하와 원시구형별집단으로의 분열을 모델링하기 위해.
• 비바리온 다크 물질 입자들의 확산 분열 메커니즘을 통해 은하 허브 내 다크 물질 분포를 설명하기 위해.
• 쿼라스 미크로렌즈 관측 결과와 유체-중력 모델 기반의 초기 구조 형성 이론을 조율하기 위해.

제안 방법

• 30,000년 시점의 원시 플라즈마를 유체-중력 이론에 점성 및 난류 응력 항을 적용하여 모델링하였다.
• 레이놀즈 수(Re ≈ 200)를 사용하여 약한 난류의 정도와 그 구조 분열에서의 역할을 정량화하였다.
• 초기 난류에서 기인한 밀도 및 변형률 필드의 고착을 추적하여 지속적인 구조적 인장으로서의 고착 현상을 분석하였다.
• 300,000년 시점의 플라즈마-기체 전이를 모델링하여 원시구형별집단(PGC) 구름이 원시 neblula 입자(PFPs)로 분열되는 과정을 가능하게 하였다.
• 비바리온 다크 물질의 외부 은하 허브로의 분열을 기술하기 위해 확산 샤르츠 스케일을 도입하였다.
• 내부 허브 내 동결된 PFP 덩어리의 지속성과 1996년 실드의 쿼라스 미크로렌즈 해석을 연결지었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 첫 번째 천체 구조 형성 과정에서 점성력과 난류력은 중력을 어떻게 균형을 이루었는가?
• RQ2 약한 난류(Re ≈ 200)가 관측된 우주 마이크파 배경 온도 변동에 어떤 역할을 했는가?
• RQ3 초기 난류에서 기인한 고착된 소용돌이와 밀도 기울기가 원시 초은하단 공백을 어떻게 형성했는가?
• RQ4 원시 플라즈마의 분열을 통해 원시은하 질량의 구조가 형성되는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 내부 허브의 동결된 PFP 덩어리와 외부 척도에서의 확산 다크 물질은 관측된 은하 다크 물질 분포를 어떻게 설명하는가?

주요 결과

• 원시 플라즈마에서의 레이놀즈 수 Re ≈ 200은 난류를 약한 수준으로 제한하여 소용돌이와 변형률 필드의 고착을 가능하게 하였다.
• 우주 마이크파 배경 온도 변동은 냉각 다크 물질 조각 내의 음속 진동이 아니라 고착된 유체-중력 난류에서 기인하였다.
• 원시 플라즈마에서의 점성 및 난류 분열이 원시 초은하단 공백을 형성하였으며, 이는 30,000년 시점에 인과적 연결 스케일이 샤르츠 스케일과 일치했을 때 발생하였다.
• 초기 난류에서 기인한 밀도 및 변형률 필드는 '고착'된 형태로 유지되어 원시은하 질량의 구조를 씨앗으로 삼았다.
• 재결합 시점인 300,000년 이후 기체의 분열이 소형 행 星 질량의 원시 neblula 입자(PFPs)로 구성된 원시구형별집단(PGC) 구름을 생성하였다.
• 내부 은하 허브 내 동결된 PFP 덩어리는 실드의 1996년 쿼라스 미크로렌즈 관측 결과를 설명하며, 외부 허브는 확산되는 약한 충돌성 다크 물질이 확산 샤르츠 스케일에서 형성되었다.