[논문 리뷰] Strong Primordial Inhomogeneities and Galaxy Formation

Maxim Khlopov, S. G. Rubin외 1명|arXiv (Cornell University)|2002. 02. 27.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 1인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 인플레이션 우주에서 일어나는 2차 상전이 동안 형성된 불안정한 도메인 벽으로 인한 강한 초기 비균일성에 기반한 은하 형성 신기제를 제안한다. 이러한 도메인 벽은 거대 블랙홀 군집으로 붕괴되며, 각 군집은 향후 은하의 핵이 되며, 관측된 은하 중심 초거대 블랙홀의 수와 질량 분포에 물리적 기반을 제공한다. 이들 블랙홀의 수는 관측 가능한 우주의 수와 유사하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표준 붕괴 모델 외의 초기 기원을 통해 은하 중심의 거대 블랙홀 기원을 설명하기 위해.
• 인플레이션 기간 동안의 2차 상전이가 에너지 밀도에 강한 초기 비균일성을 어떻게 유도하는지 탐구하기 위해.
• 위상 결함 형성과 은하의 대규모 구조 간의 물리적 연결 고리를 확립하기 위해.
• 특히 페시도-남부–골드스톤 필드와 자발적 대칭 깨짐을 포함한 이론 모델에 기반한 입자물리학적 기반의 새로운 은하 형성 시나리오를 제공하기 위해.
• 관측된 은하의 수와 인플레이션 후 도메인 벽 붕괴로 형성된 초기 블랙홀의 수가 어떻게 일치하는지 조율하기 위해.

제안 방법

• 인플레이션 기간 동안 발생하는 2차 상전이를 모델링하여 초기 우주에서 불안정한 도메인 벽 형성을 유도하기 위해.
• 형성 시 우주론적 시야를 초월하는 닫힌 도메인 벽의 역학을 분석하고, 인플레이션 이후 시기에 붕괴하는 과정을 연구하기 위해.
• 이러한 벽이 거대 블랙홀 군집으로 중력 붕괴되는 과정을 계산하며, 질량은 약 100 M☉ 이상이 된다.
• 페시도-남부–골드스톤(PNG) 스칼라 필드의 위상 일관성 진동을 사용하여 초기 에너지 밀도 비균일성을 모델링하기 위해.
• 붕괴하는 벽으로 인한 고에너지 밀도 영역과 그 후의 다크 매터 과밀도 영역 간의 상관관계를 추적하기 위해.
• 일관성 있는 필드 진동과 그 소산이 은하 형성에 유리한 국소적 밀도 증가를 어떻게 유도하는지 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인플레이션 기간 동안의 2차 상전이는 어떻게 에너지 밀도의 초기 비균일성을 유도하는가?
• RQ2 불안정한 도메인 벽이 인플레이션 이후 시기에 어떻게 거대 블랙홀 군집으로 붕괴되는가?
• RQ3 이러한 블랙홀의 수는 관측 가능한 은하의 수와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 스칼라 필드의 일관성 있는 진동은 어떻게 은하 핵 형성과 관련이 있는가?
• RQ5 이 메커니즘은 은하의 관측된 프랙탈 구조와 은하 중심의 초거대 블랙홀 존재를 자연스럽게 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 붕괴하는 도메인 벽으로부터 형성된 질량 ≥100 M☉의 초기 블랙홀 수는 관측 가능한 우주 시야 내의 은하 수와 유사하다.
• 형성 시 우주론적 시야를 초월하는 닫힌 도메인 벽의 붕괴는 향후 은하의 핵이 될 수 있는 거대 블랙홀 군집 형성을 유도한다.
• 페시도-남부–골드스톤 필드의 일관성 있는 진동으로 인한 초기 에너지 밀도 비균일성은 고다크 매터 밀도 영역과 상관관계가 있으며, 이는 은하 형성의 물리적 기반을 제공한다.
• 이 메커니즘은 초기 스칼라 필드 진동의 대규모 비균일성에 의해 은하의 프랙탈 구조가 자연스럽게 설명된다.
• 작은 초기 밀도 불균형의 천천이 성장에 의존하지 않는, 물리적으로 타당한 새로운 은하 형성 시나리오를 제공한다.
• 소규모 닫힌 벽의 붕괴로 인한 에너지 밀도 초과는 국소 과밀도를 유도하며, 강화된 중력 붕괴를 통해 원시 은하 형성에 기여한다.