[論文レビュー] Scalar Field Cosmology II: Superfluidity and Quantum Turbulence

Kerson Huang, Hwee-Boon Low+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2011

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、ロバートソン＝ウォーカー時空における位相ダイナミクスを通じて超流動性、渦度、量子乱流を生成するビッグバンモデルの複素スカラー場拡張を提案する。得られるフラクタルな渦巻きの錯みが、渦の再結合を通じて宇宙インフレーションを駆動する。エネルギースケールの分離により、スカラー場の拡大と渦物質ダイナミクスの間の結合が解き放たれ、初期宇宙における物質生成のメカニズムを提供し、ダークマス、ボイド、宇宙ジェットについての定性的予測を提示する。

ABSTRACT

We generalize the big-bang model in a previous paper by extending the real vacuum scalar field to a complex vacuum scalar field, in the context of Einstein’s equation with Robertson-Walker metric. From the phase dynamics of the complex scalar field emerges superfluidity, vorticity, and quantum turbulence, which corresponds to a fractal vortex tangle. We propose that such a tangle fills the early universe, in which matter was created through the reconnection of vortex lines, a process necessary for its maintenance. This is implemented in a set of closed cosmological equations that describes the cosmic expansion driven by the scalar field on the one hand, and the vortex-matter dynamics on the other. We show how these two aspects decouple from each other, due to a vast difference in energy scales. In this model, the lifetime of the vortex tangle gives a reasonable quantitative account of the era of cosmic inflation. The model is not valid beyond the inflation era, but has qualitative predictions for the later universe on the basis of superfluidity and vorticity. These include the galactic voids, ”dark mass”, ”non-thermal filaments”, and cosmic jets. 1 ar

研究の動機と目的

• ビッグバンの実スカラー場モデルをロバートソン＝ウォーカー計量における複素真空中スカラー場に拡張すること。
• 複素スカラー場の位相ダイナミクスがどのように超流動性、渦度、量子乱流を生じるかを調査すること。
• 初期宇宙におけるフラクタルな渦線錯みの再結合を通じた物質形成をモデル化すること。
• スカラー場駆動の拡大と渦物質ダイナミクスを結合する閉じた宇宙論的方程式のセットを導出すること。
• 超流動的および渦的挙動に基づき、銀河のボイド、ダークマス、非熱的フィラメント、宇宙ジェットについての定性的予測を検討すること。

提案手法

• ロバートソン＝ウォーカー計量における複素真空中スカラー場を一般化し、時空の進化を記述するアインシュタイン方程式を拡張する。
• 複素スカラー場の位相ダイナミクスを導出し、超流動的および渦的挙動を抽出する。
• 初期宇宙における量子的乱流状態としてのフラクタルな渦線錯みの形成をモデル化する。
• 二重のダイナミカルシステムを実装する：一つはスカラー場駆動の宇宙拡大を記述し、もう一つは渦物質の再結合と維持を記述する。
• エネルギースケールの分離を用いて、スカラー場の進化と渦ダイナミクスの間の結合が解き放たれることを示す。
• 宇宙インフレーションの持続時間を定量的に説明できるように、渦錯みの寿命パラメータを導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ロバートソン＝ウォーカー時空における複素スカラー場の位相ダイナミクスは、どのようにして超流動性と量子乱流を生じるか？
• RQ2 初期宇宙における物質生成において、渦線の再結合が果たす役割は何か？
• RQ3 フラクタルな渦錯みの寿命は、どのようにして宇宙インフレーション時代の持続時間を定量的に説明できるか？
• RQ4 エネルギースケールの違いによって、スカラー場駆動の拡大と渦物質ダイナミクスの間がどのようにして有効に分離されるか？
• RQ5 インフレーション後、どのような大規模宇宙構造や現象が、超流動的および渦的挙動によって定性的に説明可能か？

主な発見

• 複素スカラー場の位相ダイナミクスは、初期宇宙において自然に超流動性、渦度、量子乱流を生じる。
• フラクタルな渦線錯みは、初期宇宙の段階で安定的かつ自己持続的な構造として出現する。
• 渦の再結合は、物質生成のメカニズムとして特定され、錯みの存在を維持している。
• 渦錯みの寿命は、宇宙インフレーション時代の持続時間に対する定量的説明を提供する。
• エネルギースケールの分離により、スカラー場の拡大と渦物質ダイナミクスの間の有効な分離が生じる。
• インフレーション後、本モデルは超流動的および渦的効果を通じて、銀河のボイド、ダークマス、非熱的フィラメント、宇宙ジェットを定性的に予測する。