[论文解读] Primordial viscosity, diffusivity, Reynolds numbers, sound and turbulence in the beginnings of gravitational structure formation

Carl H. Gibson|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 1999

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 3

一句话总结

该论文提出，原初等离子体中的粘性与弱湍流主导了最早宇宙结构的形成，雷诺数 Re ≈ 200 使得涡量被化石化并产生声学阻尼，从而解释宇宙微波背景辐射的涨落。通过自引力浮力作用实现的湍流化石化，导致了原超星系团空洞的形成，并进一步促成原星系的形成；而暗物质晕则由大尺度上扩散的弱碰撞粒子形成。

ABSTRACT

The first structures were proto-voids formed in the primordial plasma. Viscous and weak turbulence forces balanced gravitational forces when the scale of causal connection at time 30,000 years matched the viscous and turbulent Schwarz scales of hydro-gravitational theory (Gibson 1996). The photon viscosity allows only weak turbulence from the Reynolds number Re = 200, with fragmentation to give proto-supercluster voids, buoyancy forces, fossil vorticity turbulence, and strong sonic damping. The expanding, cooling, plasma continued fragmentation to proto-galaxy-mass with the density and rate-of-strain preserved as fossils of the weak turbulence and first structure. Turbulence fossilization by self-gravitational buoyancy explains the cosmic microwave background temperature fluctuations, not sonic oscillations in cold-dark-matter fragments. After plasma to gas transition at 300,000 years, gas fragmentation occurred within the proto-galaxies to form proto-globular-star-cluster (PGCs) clouds of small-planetary-mass primordial-fog-particles (PFPs). Dark PGC clumps of frozen PFPs persist as the inner-galaxy-halo dark matter, supporting Schild's 1996 quasar-microlensing interpretation. Non-baryonic dark matter diffused into the plasma proto-cluster-voids and later fragmented as outer-galaxy-halos at diffusive Schwarz scales, indicating light, weakly-collisional fluid particles (possibly neutrinos). Observations support the theory (Gibson and Schild 2003).

研究动机与目标

• 解释宇宙微波背景温度涨落的起源，不依赖于冷暗物质碎片中的声学振荡。
• 研究在最早大尺度结构形成过程中，粘性与湍流力如何与引力达到平衡。
• 模拟从原初等离子体到气体的转变过程，以及其如何分裂形成原星系和原球状星团。
• 通过弱碰撞粒子的扩散碎片化机制，解释星系晕中暗物质的分布。
• 将观测证据（包括类星体微透镜观测）与早期结构形成的流体-引力模型相协调。

提出的方法

• 应用流体-引力理论，引入粘性与湍流应力项，模拟30,000岁时的原初等离子体。
• 利用雷诺数（Re ≈ 200）量化弱湍流及其在结构碎片化中的作用。
• 追踪早期湍流中密度场与应变率场的化石化过程，形成持久的结构印记。
• 模拟300,000岁时的等离子体-气体转变，使原初雾粒子（PFPs）碎片化形成原球状星团云（PGC云）。
• 引入扩散性施瓦茨尺度，描述非重子暗物质在大尺度上向星系晕的碎片化过程。
• 将内晕中冻结的PFP团块与Schild于1996年对类星体微透镜现象的暗物质解释相联系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在最早宇宙结构形成过程中，粘性与湍流力如何与引力达到平衡？
• RQ2 弱湍流（Re ≈ 200）在产生观测到的宇宙微波背景温度涨落中起到了何种作用？
• RQ3 早期湍流中化石化的涡量与密度梯度如何导致原超星系团空洞的形成？
• RQ4 原初等离子体碎片化形成原星系质量结构的机制是什么？
• RQ5 内晕中冻结的PFP团块与外晕中扩散的暗物质如何共同解释观测到的星系暗物质分布？

主要发现

• 原初等离子体中雷诺数 Re ≈ 200 限制了湍流强度为弱水平，使得涡量与应变场得以化石化。
• 宇宙微波背景温度涨落源于化石化的流体-引力湍流，而非冷暗物质碎片中的声学振荡。
• 当因果联系尺度与施瓦茨尺度在30,000岁时相匹配时，通过粘性与湍流碎片化形成原超星系团空洞。
• 早期湍流产生的密度与应变率场被保留为“化石”，并作为原星系质量结构的种子。
• 再结合发生于300,000岁时，气体碎片化形成由小行星质量原初雾粒子（PFPs）构成的原球状星团云（PGC云）。
• 内晕中冻结的PFP团块可解释Schild于1996年对类星体微透镜现象的观测，而外晕则由扩散性、弱碰撞的暗物质在扩散性施瓦茨尺度上形成。