[论文解读] Vorticity generation in large-scale structure caustics

Christophe Pichon, Francis Bernardeau|ArXiv.org|Feb 9, 1999

Spacecraft and Cryogenic Technologies被引用 11

一句话总结

本文研究了在Zel'dovich近似下大尺度结构焦散面中涡量的生成，通过建模初始密度扰动的首次壳层交叉，评估了其对无旋宇宙流的偏离。结果表明，平均涡量较小——约为一个哈勃常数量级——在10–15 h⁻¹ Mpc以上的尺度上其贡献可忽略不计，但在3–4 h⁻¹ Mpc左右、接近星系团尺度时变得显著。

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.

研究动机与目标

• 检验大尺度宇宙速度场中无旋流假设的有效性。
• 量化在大尺度结构焦散面形成过程中首次壳层交叉时产生的涡量。
• 评估此类涡量对宇宙学尺度上滤波后涡量概率分布函数的影响。
• 探讨宇宙学模型如何影响壳层交叉后焦散面的大小、形状及涡量含量。
• 确定焦散面中的涡量是否会在不同尺度上显著影响观测到的特殊速度场。

提出的方法

• 在拉格朗日空间中建模当前时代发生首次壳层交叉的初始密度扰动。
• 应用Zel'dovich近似追踪这些结构在首次奇点之后的演化。
• 计算壳层交叉后形成的焦散面的大小和形状随时间和宇宙学参数的变化。
• 在Zel'dovich框架下利用速度梯度张量计算这些焦散面的涡量含量。
• 在10至3 h⁻¹ Mpc的尺度上对涡量进行滤波，以评估其对概率分布函数的贡献。
• 在不同宇宙学模型之间比较结果，以评估对背景参数的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大尺度结构形成过程中，宇宙流在多大程度上是无旋的？
• RQ2 在大尺度密度扰动首次壳层交叉形成的焦散面中，产生了多少涡量？
• RQ3 在何种尺度上，焦散面产生的涡量在观测到的特殊速度场中变得不可忽略？
• RQ4 在Zel'dovich近似下，焦散面的大小和形状如何影响其涡量含量？
• RQ5 焦散面涡量对滤波后大尺度涡量概率分布函数的贡献是什么？

主要发现

• 首次壳层交叉后焦散面中产生的平均涡量约为一个哈勃常数量级，表明存在微小但非零的旋转分量。
• 在10–15 h⁻¹ Mpc的尺度上，涡量对滤波后涡量概率分布的贡献可忽略不计。
• 只有在3–4 h⁻¹ Mpc的尺度上，涡量贡献才变得显著，该尺度略高于典型的星系团尺度。
• 发现当前时代发生首次壳层交叉的初始密度扰动在拉格朗日空间中呈扁平状。
• Zel'dovich近似在首次壳层交叉稍后阶段仍为估计焦散面特性提供了合理工具。
• 涡量含量对宇宙学模型敏感，尽管在所测试的配置中总体量级仍保持较小。