[논문 리뷰] Vorticity generation in large-scale structure caustics

Christophe Pichon, Francis Bernardeau|ArXiv.org|1999. 02. 09.

Spacecraft and Cryogenic Technologies인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 초기 과밀도의 첫 번째 쉘 크로스링을 평가하기 위해 대규모 구조의 캐우스틱에서의 코시성 생성을 Zel'dovich 근사에서 조사한다. 이는 비소용성 우주 흐름에서의 편차를 평가하기 위한 것이다. 평균 코시성은 매우 작으며, 약 1개의 허블 상수 수준이어서 10–15 h⁻¹ Mpc 이상의 규모에서는 기여가 무시할 수 있지만, 3–4 h⁻¹ Mpc 규모에서는 유의미해지며, 은하단 규모 근처에서 그렇다.

ABSTRACT

A fundamental hypothesis for the interpretation of the measured large-scale line-of-sight peculiar velocities of galaxies is that the large-scale cosmic flows are irrotational. In order to assess the validity of this assumption, we estimate, within the frame of the gravitational instability scenario, the amount of vorticity generated after the first shell crossings in large-scale caustics. In the Zel'dovich approximation the first emerging singularities form sheet like structures. Here we compute the expectation profile of an initial overdensity under the constraint that it goes through its first shell crossing at the present time. We find that this profile corresponds to rather oblate structures in Lagrangian space. Assuming the Zel'dovich approximation is still adequate not only at the first stages of the evolution but also slightly after the first shell crossing, we calculate the size and shape of those caustics and their vorticity content as a function of time and for different cosmologies. The average vorticity created in these caustics is small: of the order of one (in units of the Hubble constant). To illustrate this point we compute the contribution of such caustics to the probability distribution function of the filtered vorticity at large scales. We find that this contribution that this yields a negligible contribution at the 10 to 15 $h^{-1}$Mpc scales. It becomes significant only at the scales of 3 to 4 $h^{-1}$Mpc, that is, slightly above the galaxy cluster scales.

연구 동기 및 목표

• 대규모 우주 속도장에서 비소용성 흐름 가정의 타당성을 시험하기 위해.
• 대규모 구조 캐우스틱 형성 과정에서의 첫 번째 쉘 크로스링 동안 생성된 코시성을 정량화하기 위해.
• 이러한 코시성이 우주 스케일에서 필터링된 코시성의 확률분포함수에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 우주론 모델이 쉘 크로스링 이후 캐우스틱의 크기, 형태, 코시성 함량에 미치는 영향을 탐색하기 위해.
• 캐우스틱 내 코시성이 다양한 스케일에서 관측된 특이 속도장에 유의미하게 영향을 미칠 수 있는지 판단하기 위해.

제안 방법

• 현재 시점에서 첫 번째 쉘 크로스링을 겪는 초기 과밀도를 라그랑주 공간에서 모델링하기 위해.
• 이 구조들의 진화를 첫 번째 특이점 이후에도 추적하기 위해 Zel'dovich 근사를 적용하기 위해.
• 시간과 우주론에 따라 쉘 크로스링 이후 형성된 캐우스틱의 크기와 형태를 계산하기 위해.
• Zel'dovich 프레임워크에서 속도 기울기 텐서를 사용하여 이러한 캐우스틱의 코시성 함량을 계산하기 위해.
• 10에서 3 h⁻¹ Mpc 사이의 스케일에서 코시성을 필터링하여 그 기여가 확률분포함수에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 배경 파rameter에 대한 민감도를 평가하기 위해 다양한 우주론 모델 간 결과를 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 구조 형성에서 은하 흐름이 어느 정도 비소용성인가?
• RQ2 대규모 과밀도의 첫 번째 쉘 크로스링 과정에서 형성된 캐우스틱에서 얼마나 많은 코시성이 생성되는가?
• RQ3 관측된 특이 속도장에서 캐우스틱의 코시성이 어느 스케일에서 무시할 수 없게 되는가?
• RQ4 Zel'dovich 근사에서 캐우스틱의 크기와 형태가 그들의 코시성 함량에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 캐우스틱 코시성이 필터링된 코시성의 대규모 확률분포함수에 기여하는 정도는 얼마인가?

주요 결과

• 첫 번째 쉘 크로스링 이후 캐우스틱에서 생성된 평균 코시성은 약 1개의 허블 상수 수준이어서, 소용성 성분이 작지만 비영일 수 있음을 나타낸다.
• 10–15 h⁻¹ Mpc 규모에서는 필터링된 코시성의 확률분포함수에 대한 코시성 기여가 무시할 수 있다.
• 코시성 기여는 오직 3–4 h⁻¹ Mpc 규모에서만 유의미해지며, 이는 일반적인 은하단 규모를 略로 넘는 스케일이다.
• 현재 시점에서 첫 번째 쉘 크로스링을 겪는 초기 과밀도 프로파일은 라그랑주 공간에서 납작한 형태임이 밝혀졌다.
• Zel'dovich 근사는 첫 번째 쉘 크로스링 이후 약간 떨어진 지점의 캐우스틱 특성을 추정하는 데 합리적인 도구로 남아 있다.
• 코시성 함량은 우주론 모델에 민감하지만, 테스트된 구성에서 전체 크기는 작게 유지된다.