[论文解读] 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 2

一句话总结

本文利用宇宙微扰理论，在广义相对论的弗里德曼宇宙框架下研究了大尺度特殊运动，聚焦于与流体共动的观测者。研究发现，在长波长情况下，特殊速度的增长率为 $a^2$，远快于牛顿力学中的 $a^{1/2}$ 律，这是由于整体运动产生的能量通量引起的引力反馈所致，表明其特殊流动比以往预期更快、更大。

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.

研究动机与目标

• 利用广义相对论宇宙微扰理论，分析扰动弗里德曼宇宙中大尺度特殊运动的运动学。
• 从与流动共动的真实观测者视角，建模特殊速度、膨胀/收缩、剪切和旋转在整体流动中的行为。
• 识别与牛顿处理相比，特殊速度在长波长下增长速率更强的根源。
• 研究特殊运动产生的能量通量如何影响局部引力场，这一因素在以往的相对论研究中被忽略。

提出的方法

• 采用与特殊流动共动的观测者视角，将广义相对论宇宙微扰理论应用于结构形成线性区。
• 分析在广义相对论动力学下，特殊速度场、膨胀/收缩、剪切和涡度（旋转）的演化。
• 考察长波长（哈勃半径）极限，以分离出特殊运动的主导增长行为。
• 明确包含物质运动产生的能量通量对引力的源作用，此点有别于牛顿和以往的相对论处理。
• 以尺度因子 $a$ 表达解，重点研究特殊速度的增长律。

实验结果

研究问题

• RQ1 在广义相对论宇宙框架下，长波长极限中特殊速度如何演化？
• RQ2 为何广义相对论模型预测的特殊速度增长速率强于牛顿模型？
• RQ3 在扰动的弗里德曼宇宙中，特殊运动产生的能量通量在多大程度上贡献于局部引力场？
• RQ4 包含相对论效应后，整体流动的运动学（包括膨胀、剪切和旋转）如何改变？

主要发现

• 在长波长情况下，特殊速度的增长率为 $a^2$，远快于牛顿力学中的 $a^{1/2}$ 律。
• 增强的增长归因于特殊运动产生的能量通量引起的引力反馈，该效应在牛顿处理中缺失。
• 整体流动本身具有引力效应，这是以往相对论研究中被忽视的效应，它放大了特殊速度的增长。
• 这些更强的增长率意味着特殊速度在视界穿越时达到更高值，并留下更大的残余振幅。
• 结果表明，大尺度整体流动可能比以往宇宙学模型估计的更快、更大。