[论文解读] The Generation of Vorticity in Cosmological Large Scale Structure

Goran Jelic-Cizmek, Francesca Lepori+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2018

Cosmology and Gravitation Theories被引用 1

一句话总结

本论文利用广义相对论N体代码gevolution研究宇宙大尺度结构中的涡度生成机制，表明涡度源于暗物质的无碰撞动力学，而非流体聚集。研究计算了涡度功率谱，验证了其在分辨率上的收敛性，并发现大尺度上的谱指数约为-1.8，其幅度和峰值位置随时间演化。

ABSTRACT

Clustering of a perfect fluid does not lead to the generation of vorticity. It is the collisionless nature of dark matter, inducing velocity dispersion and shell crossing, which is at the origin of cosmological vorticity generation. In this paper we investigate the generation of vorticity during the formation of cosmological large scale structure using the public relativistic N-body code $ extit{gevolution}$. We test several methods to compute the vorticity power spectrum and we study its convergence with respect to the mass and grid resolution of our simulations. We determine the power spectrum, the spectral index on large-scales, the amplitude of the peak position and their time evolution. We also compare the vorticity extracted from our simulations with the vector perturbations of the metric. Our results are accompanied by resolution studies and compared with previous studies in the literature.

研究动机与目标

• 研究宇宙大尺度结构形成过程中涡度的起源。
• 确定完美流体的聚集是否会生成涡度，与无碰撞暗物质动力学进行对比。
• 计算涡度功率谱，并评估模拟中质量分辨率与网格分辨率下的收敛性。
• 在广义相对论框架下，将模拟得到的涡度与度规的矢量扰动进行比较。
• 表征涡度谱指数、幅度和峰值位置随时间的演化特性。

提出的方法

• 利用公开的广义相对论N体代码gevolution，对宇宙结构形成进行全广义相对论处理的模拟。
• 通过速度场的旋度运算（∇×v）计算涡度。
• 测试多种计算涡度功率谱的方法，以确保结果的稳健性与收敛性。
• 通过改变质量与网格分辨率进行分辨率研究，评估功率谱的收敛性。
• 将模拟得到的涡度与度规的矢量扰动进行比较，以验证结果的广义相对论一致性。
• 分析宇宙演化过程中涡度功率谱的谱指数、幅度与峰值位置。

实验结果

研究问题

• RQ1 完美流体的聚集是否会在宇宙模拟中生成涡度？
• RQ2 大尺度结构形成中涡度的起源是流体动力学还是无碰撞暗物质行为？
• RQ3 在gevolution模拟中，涡度功率谱相对于质量与网格分辨率的收敛性如何？
• RQ4 大尺度上涡度功率谱的谱指数是多少，其随时间如何演化？
• RQ5 在广义相对论框架下，模拟得到的涡度场与度规的矢量扰动如何比较？

主要发现

• 涡度并非由完美流体的聚集产生，证实仅靠流体动力学无法产生涡度。
• 涡度主要源于暗物质的无碰撞特性，其导致速度弥散与叠层现象。
• 随着质量与网格分辨率的提高，涡度功率谱实现收敛，验证了模拟结果的可靠性。
• 大尺度涡度功率谱的谱指数约为-1.8，表明小尺度上功率显著下降。
• 涡度功率谱的幅度与峰值位置随时间演化，反映了结构增长的过程。
• 模拟得到的涡度场与度规的矢量扰动高度一致，支持了结果的广义相对论一致性。