[论文解读] Strong Primordial Inhomogeneities and Galaxy Formation

Maxim Khlopov, S. G. Rubin+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2002

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用 14

一句话总结

本文提出了一种基于暴胀宇宙中二级相变期间形成的不稳定畴壁所引发的强原初非均匀性的星系形成新机制。这些畴壁坍缩成大质量黑洞星团——每个均作为未来星系的核心——为星系中心超大质量黑洞的观测数量与质量分布提供了物理解释，此类黑洞的数量与可观测宇宙中星系的数量相当。

ABSTRACT

The new element of theory of galaxy formation, strong primordial inhomogeneities, is shown to be a reflection of unstable large scale structures of topological defects, created in second order phase transitions in the inflationary Universe. In addition to {\it archioles-like} large scale correlation of the primordial inhomogeneity of energy density of coherent scalar field oscillations, the same mechanism, based on the second order phase transitions on the inflational stage and the domain wall formation upon the end of inflation, leads to the formation of massive black hole clusters that can serve as nuclei for the future galaxies. The number of black holes with $M \sim 100M_{\odot}$ and above is comparable with the number of galaxies within the modern cosmological horizon. The primordial fractal structure of galaxies can find natural grounds in the framework of model we developed . The proposed approach offers the physical basis for new scenarios of galaxy formation in the Big Bang Universe.

研究动机与目标

• 通过标准坍缩模型之外的原初机制，解释星系中心大质量黑洞的起源。
• 探讨暴胀期间二级相变如何在能量密度中产生强原初非均匀性。
• 建立拓扑缺陷形成与星系大尺度结构之间的物理解释联系。
• 提出一种根植于粒子物理的新星系形成情景，尤其关注具有赝Nambu–Goldstone场和自发对称性破缺的模型。
• 调和可观测星系数量与由坍缩畴壁形成的原初黑洞数量之间的关系。

提出的方法

• 模拟暴胀期间导致早期宇宙中不稳定畴壁形成的二级相变。
• 分析形成时超过宇宙视界尺度的闭合畴壁在暴胀后时期的动力学与坍缩行为。
• 计算这些畴壁坍缩为大质量黑洞星团的过程，其质量约为100 M☉及以上。
• 利用赝Nambu–Goldstone（PNG）标量场的相干振荡来建模原初能量密度非均匀性。
• 追踪坍缩畴壁产生的高能量密度区域与后续暗物质高密度区之间的关联。
• 评估相干场振荡及其耗散在促进局部密度增强方面的作用，从而有利于星系形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 暴胀期间的二级相变如何导致能量密度的原初非均匀性？
• RQ2 不稳定的畴壁在暴胀后时期如何坍缩为大质量黑洞星团？
• RQ3 此类黑洞的数量与可观测星系的数量相比如何？
• RQ4 标量场的相干振荡以何种方式与星系核的形成相关联？
• RQ5 该机制能否自然解释星系的分形结构以及星系中心超大质量黑洞的存在？

主要发现

• 由坍缩畴壁形成的原初黑洞（质量≥100 M☉）数量与可观测宇宙视界内星系的数量相当。
• 超过形成时宇宙视界尺度的闭合畴壁坍缩，形成可作为未来星系核心的大质量黑洞星团。
• 赝Nambu–Goldstone场相干振荡产生的原初能量密度非均匀性与高暗物质密度区域相关，为星系形成提供了物理解释基础。
• 该机制通过原初标量场振荡的大尺度非均匀性，自然解释了星系的分形结构。
• 该模型提供了一种新的、物理上合理的星系形成情景，独立于初始小密度扰动的缓慢增长机制。
• 衰变的小闭合畴壁所贡献的能量密度过剩，有助于局部高密度区的形成，从而通过增强引力坍缩促进原星系的形成。