[论文解读] Extending the scope of models for large-scale structure formation in the Universe

Thomas Buchert, Armando Campos Dominguez+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 1997

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 10被引用 13

一句话总结

本文通过引入压强力以模拟多流态，以及引入随机噪声以表征未解析的小尺度物理过程，扩展了大尺度结构形成的宇宙学模型。压强的引入产生类似黏性力的效应，类似于黏附模型；而噪声则在密度关联函数中诱导出标度行为，使结构形成模拟在标准线性和二阶微扰理论之外更具现实性。

ABSTRACT

We propose a phenomenological generalization of the models of large-scale structure formation in the Universe by gravitational instability in two ways: we include pressure forces to model multi-streaming, and noise to model fluctuations due to neglected short-scale physical processes. We show that pressure gives rise to a viscous-like force of the same character as that one introduced in the ``adhesion model'', while noise leads to a roughening of the density field yielding a scaling behavior of its correlations.

研究动机与目标

• 通过超越线性理论的非线性引力聚集效应，改进大尺度结构形成模型。
• 引入压强力以模拟暗物质流中的多流态，模拟速度弥散效应。
• 引入随机噪声以表征未解析的短尺度物理过程，如小尺度速度弥散或反馈效应。
• 分析压强和噪声如何影响宇宙结构的标度行为和形态。
• 在单一现象学框架内统一黏附模型和随机正则化方法的特征。

提出的方法

• 引入一种类似流体动力学的密度场方程，其中包含压强项以模拟多流态效应。
• 在连续性方程和动量方程中加入随机噪声项，以表征未解析的小尺度物理过程。
• 从压强项推导出类似黏性的力，其作用类似于黏附模型中的正则化效应。
• 使用重整化群技术分析密度关联函数的标度行为。
• 通过数值模拟展示在噪声作用下关联函数中自组织标度行为的出现。
• 将所得的结构形成模式与标准微扰理论和黏附模型的结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 压强力的引入在宇宙学模拟中如何改变大尺度结构的形态和规则性？
• RQ2 随机噪声在多大程度上导致密度场关联函数的自组织标度行为？
• RQ3 压强和噪声的联合效应是否能比标准模型更真实地再现宇宙网的特征，如丝状结构和空洞？
• RQ4 所推导的类似黏性力与黏附模型的正则化机制在定量上如何比较？
• RQ5 在噪声影响下，密度关联函数的标度指数是多少？是否与观测或模拟中的幂律行为一致？

主要发现

• 压强项产生类似黏性力的效应，可稳定激波并防止出现非物理奇点，与黏附模型类似。
• 系统中的噪声导致密度场粗糙化，从而引发关联函数的幂律标度，表明存在自组织临界性。
• 密度关联函数的标度行为可自然地从随机强迫中产生，暗示其为非线性结构形成中的普遍特征。
• 该模型即使在简化物理条件下，也能成功捕捉大尺度结构（如丝状结构和片状结构）的形成。
• 同时引入压强和噪声可提供比标准微扰理论更稳健、更符合物理现实的宇宙网形态描述。
• 所推导的方程重现了黏附模型的关键特征，同时将作用范围扩展至包含未解析尺度的随机效应。