[论文解读] Realistic coarse-grained cosmic structure from Szekeres models

Roberto A. Sussman, Ismael Delgado Gaspar|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2015

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用 2

一句话总结

本文提出了一种自洽的、广义相对论的、非微扰的方法，利用Szekeres尘埃模型构建粗粒度的宇宙结构（如密度增强区和空洞），这些结构在所有时间点都具有预定的空间位置。通过设定固定模型自由参数的初始条件，该方法实现了无需依赖微扰理论的大尺度宇宙结构形成的完全相对论性描述。

ABSTRACT

A systematic self–consistent procedure is provided to describe by means of the Szekeres dust models the evolution of multiple self–gravitating cold dark matter structures (over–densities and density voids), whose spatial location can be prescribed beforehand for all times by suitable initial conditions that define the free parameters of the models. Following this procedure makes it possible to obtain a fully relativistic non–perturbative coarse grained description of actually existing cosmic structure at various scales. We discuss possible astrophysical and cosmological applications.

研究动机与目标

• 开发一种自洽的、完全相对论性的框架，用于建模多个自引力的宇宙结构，包括密度增强区和空洞。
• 通过初始条件实现对这些结构在所有时间点的空间位置的预设。
• 为描述大尺度结构提供一种粗粒度的、非微扰的替代标准宇宙学模型。
• 为非均匀物质分布的精确相对论模型在天体物理学和宇宙学中的应用奠定基础。

提出的方法

• 采用Szekeres尘埃模型，这些是爱因斯坦方程在无旋、非均匀尘埃分布下的精确解。
• 施加初始条件以固定Szekeres模型的自由参数，从而在早期预定义结构的空间构型。
• 通过完整求解爱因斯坦方程而不使用微扰近似，确保自洽性。
• 通过避免线性化或统计近似，在所有尺度上保持相对论有效性。
• 以完全非微扰的方式应用模型来描述冷暗物质结构的演化。
• 依赖Szekeres模型内在的几何自由度，以容纳结构在空间中的任意排列。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用精确的、非微扰的相对论模型来描述具有预定空间位置的多个自引力宇宙结构的演化？
• RQ2 需要何种初始条件，才能在Szekeres模型中嵌入密度增强区和空洞，使得它们的位置在所有时间点都保持固定？
• RQ3 Szekeres模型能否提供一种完全相对论性的、粗粒度的宇宙结构描述，而无需依赖微扰理论？
• RQ4 此类模型对涉及非均匀物质分布的宇宙学和天体物理学应用有何影响？

主要发现

• 该方法成功构建了具有预定空间构型的完全相对论性、非微扰的宇宙结构粗粒度描述。
• 初始条件唯一地确定了Szekeres模型的自由参数，确保结构的空间位置在整个演化过程中保持不变。
• 该方法避免了微扰理论的局限性，能够在各种尺度上实现对非均匀结构的精确建模。
• 该框架具有自洽性，适用于密度增强区和密度稀疏的空洞，为宇宙结构提供了统一的描述。
• 这些模型适用于需要对非均匀性进行精确相对论处理的天体物理学和宇宙学应用。