[論文レビュー] On the kinematics of large-scale peculiar motions

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

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、宇宙論的摂動理論を用いて、相対論的フレドキン宇宙における大規模な異動運動を、流れと共に動く観測者に立脚して調査している。長波長領域では、異動速度が $a^2$ のように増大することが判明した。これはニュートン的法則の $a^{1/2}$ よりも著しく速く、体積運動に起因するエネルギーフラックスが重力場にフィードバックを及けることによるものであり、従来予想されたよりも速く、より大きな異動流が存在することを示唆している。

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.

研究の動機と目的

• 相対論的宇宙論的摂動理論を用いて、摂動を受けるフレドキン宇宙における大規模な異動運動の運動学を分析すること。
• 実際に流れと共に動く現実の観測者に立脚して、異動速度、膨張／収縮、せん断、および回転の挙動をモデル化すること。
• 長波長領域における異動速度の成長率が、ニュートン的取り扱いと比較して著しく速い理由を特定すること。
• 異動運動に起因するエネルギーフラックスが、局所的な重力場にどのように寄与するかを調査すること。これは、これまでの相対論的研究で無視されていた要因である。

提案手法

• 異動流と共に動く観測者の立場を採用し、構造形成の線形領域において相対論的宇宙論的摂動理論を適用する。
• 一般相対性理論の力学に従い、異動速度場、膨張／収縮、せん断、および渦度（回転）の時間的変化を追跡する。
• 長波長（ハッブル半径）領域の極限を検討し、異動運動の支配的成長行動を分離する。
• 物質の運動に起因するエネルギーフラックスが重力源として果たす役割を明示的に含める。これは、ニュートン的および先行の相対論的取り扱いとは明確に異なる。
• スケール因子 $a$ を用いて解を導出し、異動速度の成長則に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相対論的宇宙論的枠組みにおいて、長波長領域での異動速度の時間的変化はどのように進行するか？
• RQ2 なぜ相対論的モデルは、ニュートン的モデルと比較して異動速度の成長率を著しく大きく予測するのか？
• RQ3 摂動を受けるフレドキン宇宙において、異動運動に起因するエネルギーフラックスが、局所的な重力場にどの程度寄与するか？
• RQ4 相対論的効果を組み込むことで、膨張、せん断、回転を含む体積流の運動学はどのように変化するか？

主な発見

• 長波長領域では、異動速度が $a^2$ のように増大する。これはニュートン的法則の $a^{1/2}$ よりも著しく速い。
• 増大の加速は、異動運動に起因するエネルギーフラックスが重力にフィードバックを及けることによるものであり、これはニュートン的取り扱いには存在しない項である。
• 体積流自体が重力を発生するという、これまでの相対論的研究で無視されていた効果が、異動速度の増大を強化している。
• このより強い成長率は、ホライズン通過時に異動速度がより高い値に達し、残差振幅も大きくなることを示唆している。
• 結果として、大規模な体積流は、宇宙論的モデルでこれまで推定されたよりも速く、より大きく存在する可能性がある。