Structure Formation and Backreaction in Growing Neutrino Quintessence
中微子质量对暗能量标量场的依赖性可以为暗能量的“为什么现在”问题提供一个解决方案。由此产生的宇宙学模型的动力学,不断增长的中微子精华,包括中微子之间的吸引力大大超过重力。我们提出了一个全面的方法,对完整的宇宙学演化的理解,包括大规模中微子结构的形成。我们考虑的重要影响是暗能量的局部变化和背景演化的反反应,以及相对论中微子速度。为了这个目的,我们开发了一个相对论的N体处理的中微子结合明确的计算本地的quintessence字段。在其当前阶段,模拟方法在z ~ 1之前是成功的,并且揭示了丰富的现象学。我们获得了大尺度中微子结构的形成及其对物质演化、暗能量和宇宙晚期膨胀的影响的详细图像。
2012-06-18 astro-ph.CO
Is backreaction in cosmology a relativistic effect? On the need for an extension of Newton's theory to non-Euclidean topologies
宇宙学反反应对应于结构的不均匀性对宇宙整体膨胀的影响。围绕这一现象的主要问题是,它是否足够重要,足以导致对标度因子演化的可测量影响,最终解释其加速或哈勃张力。关于这个问题的最重要的结果之一是Buchert-Ehlers定理(Buchert \& Ehlers,1997),它指出当使用牛顿引力理论计算时,反作用正好为零,这在广义相对论中可能不是这种情况。一般认为,这个结果意味着逆反应是一个纯粹的相对论效应。我们将证明,这是不一定的情况下,在这个意义上说,这一含义并不适用于宇宙仍然很好地描述了牛顿的理论在小尺度上,但有一个非欧几里德拓扑。因此,该定理应该被推广到这种情况。在一个启发式计算中,我们构建了一个局部牛顿但定义在非欧几里德拓扑上的理论,我们证明了逆反应是非零的,这意味着它可能是非相对论性的,这取决于我们宇宙的拓扑类。然而,这种结构并不是唯一的,仍然需要从广义相对论的非相对论性限制中得到证明。
2022-01-25 astro-ph.CO gr-qc
Cosmology in the Newtonian limit
宇宙中大尺度结构形成的N体数值模拟是基于牛顿引力理论的。但是,根据我们目前的理解,最正确的引力理论是广义相对论。因此,重要的是要理解当相对论宇宙被近似或更确切地说被牛顿宇宙取代时,哪些自由度和哪些特征会丢失。这是我们调查的主要目的。我们首先定义牛顿宇宙学,我们给出了一个概述广义相对论,无论是在其标准和协变配方。我们将展示这两个理论如何处理非均匀宇宙模型,我们介绍了反反应猜想。然后,我们回顾了牛顿引力理论和广义相对论在完全非线性状态下的相互关系。为此,我们讨论框架理论。我们在广义相对论的弱场小速度极限中也进行了同样的研究,并借助后牛顿宇宙学的框架导出了牛顿极限。最后,我们注意到,存在牛顿引力的解,它们没有任何相对论性的对应物。
2012-03-26 astro-ph.CO gr-qc
Redshift drift in a universe with structure II: Light rays propagated through a Newtonian N-body simulation
本研究基于GADGET-2与微扰FLRW度规计算模拟宇宙中的红移漂移,发现平均红移漂移等于平均红移的漂移,且光学漂移和特殊加速度贡献较小,与先前宇宙反作用模型结论相反。
2023-04-03 astro-ph.CO
Does small scale structure significantly affect cosmological dynamics?
宇宙的大尺度均匀性和各向同性通常被认为意味着一个定义良好的背景宇宙学模型。可能不会。平滑结构增加了额外的贡献,将权力从小尺度转移到大尺度。二阶微扰理论意味着影响很小,但表明形式上的微扰级数可能不收敛。这种效应的幅度实际上是由哈勃尺度在物质辐射平等和今天的比率决定的-这是完全无关的。这意味着今天温度明显较低的宇宙可能会在小尺度上产生更大的能量,从而为理解逆反应提供了理想的测试基础。我们研究这两个不同的N体数值模拟-一个3D牛顿和一个1D模拟,其中包括所有相关的相对论效应。我们表明,虽然微扰理论预测增加的反反应作为更多的初始小规模的功率被添加,事实上,结构的维里化饱和的反反应效应在同一水平上独立的平等规模。这意味着逆反应是一个独立于初始条件的小效应。尽管如此,它仍然可能在百分比水平上对某些宇宙学观测值做出贡献,因此在精确宇宙学中不能忽略它。
2015-02-06 astro-ph.CO gr-qc
Lagrangian theory of structure formation in relativistic cosmology II: average properties of a generic evolution model
研究了一般非均匀宇宙学模型的运动学和动力学性质,空间平均相对于自由落体(广义基本)观察员,物质模型无旋尘埃。转述以前的牛顿的调查,我们提出了一个相对论性的概括的反反应模型的基础上体积平均的相对论性Zeldovich近似。在这个模型中,我们调查的宇宙学参数的演变,因为它们被定义在一个平均的非均匀宇宙学的运动学的反反应的效果,我们表明,反反应模型之间的正交对称性之间的插值覆盖的子情况下的平面对称的解决方案,Lemaitre-Tolman-Bondi解决方案和Szekeres解决方案。因此,我们得到了一个强大的模型,奠定了基础,定量解决曲率不均匀性,因为它们将被解释为暗能量或暗物质在准牛顿宇宙学。本模型,具有有限的架构,由于假定FLRW背景,然而,能够取代1/4的所需量的暗能量域的直径为200 Mpc的典型(一西格玛)波动的CDM初始功率谱。然而,该模型远远不能在更大的尺度上(空间上)解释暗能量,其中对400 Mpc域的6%的影响可以追溯到今天的平均负内禀曲率。的定量结果的一个缺点是,时代时,反作用是有效的大尺度上,并导致体积加速在于未来的事实。我们讨论这个问题的初始光谱,暗物质的问题,巧合的问题,以及事实上,大规模的暗能量是对过去的光锥(而不是空间)的影响,我们指出未来研究的关键要素。
2013-06-11 astro-ph.CO gr-qc
Applicability of the linearly perturbed FRW metric and Newtonian cosmology
有人认为,宇宙结构的形成对平均膨胀率的影响可以忽略不计,因为度规的线性近似在非线性密度扰动的情况下仍然适用。我们讨论了为什么基于线性理论的论点是无效的。着重讨论了牛顿引力理论与广义相对论的弱场、小速度极限在宇宙学背景下的区别。
2010-05-10 astro-ph.CO gr-qc
Cosmic Acceleration and a New Concordance from Causal Backreaction
提出了一种唯象形式,即宇宙的视加速度是由大尺度结构的形成产生的,从而消除了协调模型中宇宙学常数的大小和符合微调问题,以及动力学暗能量的潜在不稳定性问题.观察到的加速结果的组合效应的无数的局部扰动,由于个别维里化系统,重叠在一起的FRW度量的平滑非均匀调整,在一个过程中,由因果流的不均匀性信息向外从每个聚集的系统。在解释了为什么从文献中声称放置限制性限制后,反反应的参数是不适用于物理现实的宇宙学分析,我们提出了一个简单的参数化模型,能够拟合的光度距离数据从Ia型超新星基本上以及最适合的平面$Λ$ CDM模型,而不诉诸暗能量,任何修改重力,或当地的空白。同时,这些模型可以重现测量的宇宙学参数,如宇宙的年龄,空间平坦度所需的物质密度,现今的减速参数,以及宇宙微波背景的角度尺度,以合理接近其和谐值。区分这种宇宙学形式主义和$Λ$ CDM的一个潜在的观测特征可能是一个显著超过1的宇宙急动参数。
2012-06-12 astro-ph.CO gr-qc
On The Equivalence of the FRW Field Equations and those of Newtonian Cosmology
我们提出了一个简单的论点来解释为什么Friedmann-Robertson-Walker度规的场方程等价于牛顿宇宙学的场方程。通过传递到一个家庭的共形重标度FRW度量在适当的坐标的无限极限,我们揭示了牛顿的空间和时间。限制过程保留了爱因斯坦方程,这些方程可以直接从牛顿极限到标量曲率参数的确定来阐明。考虑FRW时空上共形不变的标量场方程,从牛顿理论出发,有效地恢复了爱因斯坦方程。我们接着研究与牛顿引力的嘉当公式有关的极限过程。
2014-07-21 astro-ph.CO gr-qc
Lagrangian theory of structure formation in relativistic cosmology. VI. Comparison with Szekeres exact solutions
我们研究之间的关系Szekeres模型和相对论拉格朗日微扰计划,特别是相对论Zel'dovich近似(RZA)。我们表明,第二类的Szekeres解决方案是完全包含在RZA时,后者被限制到一个无旋的尘埃源流正交叶理的时空。在这种情况下,解由变形场的第一主标量不变量控制,证明了与一类没有对称性的牛顿三维解的直接联系。对于第二类,通过积分约束给出了在均匀尺度上宇宙反作用消失的充分必要条件。没有反作用的域可以平滑地匹配,形成晶格模型,其中精确的偏差在给定的均匀性尺度下平均,并且均匀和各向同性的背景被恢复为模型的平均属性。虽然与第一类的Szekeres解决方案的连接是不直接的,这一类允许的解释,在一个空间叠加的不相交的流体线,其中每个世界线独立发展,并根据RZA模型方程,但与不同的相关的“本地背景”。这指出了将拉格朗日微扰方案推广到不断发展的背景上的结构形成模型的可能性,包括全球宇宙学反作用。
2021-01-06 astro-ph.CO gr-qc
Cosmic Acceleration from Causal Backreaction in a Smoothly Inhomogeneous Universe
提出了一种唯象形式,即宇宙的视加速度是由大尺度结构的形成产生的,从而消除了协调模型中宇宙学常数的符合和大小微调问题,以及动力学暗能量的潜在不稳定性问题.观察到的加速结果从无数的局部扰动的综合效果,由于个别维里化的系统,重叠在一起,在一个平滑的非均匀调整的FRW度量,在一个过程中,由因果流的不均匀性信息向外从每个聚集的系统。我们讨论了几个参数,从文献中声称放置急剧限制的强度后,backreaction相关的影响,并显示为什么这样的论点是不适用于物理现实的宇宙学分析。一个简单的参数化模型的选择,其中包括几个能够拟合的光度距离数据从Ia型超新星基本上以及最适合的平面$Λ$ CDM模型,而不诉诸于暗能量,任何修改重力,或当地的空白。同时,这些模型可以重现测量的宇宙学参数,如宇宙的年龄,空间平坦度所需的物质密度,现今的减速参数,以及宇宙微波背景的角度尺度,以合理接近其和谐值。最后,我们考虑潜在的观测签名,区分这种宇宙学形式主义从$Λ$ CDM或暗能量,以及可能的长期命运,这样一个宇宙的影响范围不断扩大,其日益叠加的扰动。
2012-06-12 astro-ph.CO gr-qc
1+3 formulation of Newton's equations
本文从广义相对论的1+3和3+1形式出发,给出了洛伦兹流形上的四维牛顿引力方程。我们首先证明了一般时间参数化坐标系相对于伽利略参考系的坐标速度自由度类似于广义相对论的3+1形式中的位移自由度。这使我们可以把牛顿理论写成生活在四维洛伦兹流形$M^N$中。这个流形可以根据牛顿流体的动力学选择弯曲。在本文中,我们专注于$M^N$导致我们所谓的\textit{1+3-Newton equations}的具体选择。我们表明,这些方程可以恢复从广义相对论与牛顿极限进行的相对论流体的休息帧。1+3公式的牛顿方程以及我们介绍的牛顿极限也允许我们定义一个字典之间的牛顿理论和广义相对论。这个字典定义在尘埃流体的静止坐标系中,即非加速观察者。其结果是,它只定义为无旋流体。作为支持1+3-牛顿方程和我们的字典的一个例子,我们证明了1+3-牛顿中的抛物自由落体解精确地转化为史瓦西时空,并且没有任何近似。这本字典可能是一个额外的工具来测试牛顿解相对于广义相对论的有效性。然而,它需要进一步测试非真空,非静态和非孤立的牛顿溶液,以及适用于旋转流体。我们考虑的1+3牛顿方程的制定的主要应用之一是定义新的模型,适合于宇宙学中的逆反应和全球拓扑结构的研究。
2020-10-20 astro-ph.CO gr-qc
Inhomogeneous cosmology in an anisotropic Universe
随着精确宇宙学时代的到来,即将到来的调查预计将进一步提高我们观测的精度,使其低于百分比水平,确保我们的理论宇宙学模型的准确性至关重要。目前我们的观测和标准宇宙学模型的预测之间的紧张关系引发了人们对扩展模型以包括新物理的好奇心。尽管如此,一些建议包括简单地解释我们宇宙的某些方面,这些方面在标准模型中被忽略了。一个例子承认了这样一个事实,即我们的宇宙在小尺度上包含着显著的密度对比;以星系、星系团、细丝和空洞的形式存在。这种小尺度的结构在标准模型中被平滑化了,通过假设物质分布的大尺度均匀性,由于爱因斯坦方程的非线性,这可能会产生可测量的影响。这种小尺度结构对大尺度动力学的反作用被认为可以解释宇宙的加速膨胀率。目前的标准宇宙学模拟通过假设纯牛顿动力学而忽略了广义相对论的影响。在这篇论文中,我们采取了第一步量化的小尺度结构的反作用,通过执行宇宙学模拟,直接解决爱因斯坦的方程。像这样的模拟将使我们能够量化对我们的观测的潜在重要影响,随着这些观测的精度在未来的提高,这些影响可能变得可测量。
2019-10-29 astro-ph.CO gr-qc
Various Facets of Spacetime Foam
时空泡沫以各种方式表现出来。它具有湍流流体的某些属性。它是全息原理的来源。在宇宙学上,它可能在解释为什么能量密度具有临界值,为什么暗能量/物质存在,以及为什么有效的动力学宇宙学常数具有所观察到的值方面发挥作用。从天体物理学的角度看,时空泡沫物理学有助于阐明修正牛顿动力学中的临界加速度具有观测值的原因,并提供了全球物理学与局部星系动力学之间的可能联系,包括星系的平坦旋转曲线现象和观测到的Tully-Fisher关系。时空泡沫物理学也揭示了非局部引力动力学。
2011-02-20 astro-ph.CO gr-qc hep-th
Why is Universe so dark ?
在这篇为普通观众准备的演讲中,我们简要地提到了宇宙标准模型的缺点。然后,我们专注于被称为年龄危机的模型的后期时间不一致性,其解决方案需要存在的排斥效应,可以来源于暗能量或大规模修改重力。总的来说,我们的描述是基于牛顿宇宙学,尽管有局限性,但它是简单而优雅的。在启发式的基础上,我们解释了一个微小的引力子质量可以解释后期的宇宙加速。本文还简要讨论了Ia型超新星爆发的物理基础,并通过相关观测直接证实了宇宙的晚期加速。
2014-01-06 astro-ph.CO gr-qc physics.pop-ph
Relativistic gravity in the inhomogeneous Universe
本论文探讨非均匀宇宙中的相对论引力,扩展参数化后牛顿宇宙学形式体系构建理论无关的引力测试方程,并研究宇宙非均匀性与各向异性对宇宙微波背景约束、光传播及哈勃图预测的影响。
2024-07-25 astro-ph.CO gr-qc
Is Dark Energy Simulated by Structure Formation in the Universe ?
宇宙学的标准模型假设宇宙可以被描述为围绕爱因斯坦广义相对论的各向同性解。这种描述需要(有时是隐藏的)限制一般性的假设,而放松这些限制是宇宙学新物理方法的标题,它重新定义了宇宙学框架。将齐次几何视为现实中高度非齐次宇宙的模板几何,必须被视为一种强理想化。揭开标准模型的局限性为广义相对论的丰富结果打开了大门,产生了有效的(即空间平均的)宇宙学模型,甚至可以解释暗能量和暗物质的长期问题。本文探讨了结构形成对宇宙平均性质的影响,主要讨论了:(1)为什么要考虑平均性质,宇宙学标准模型的非守恒曲率和整体引力不稳定性等问题;(ii)通过平均爱因斯坦方程的标量部分而产生的宇宙学方程的一般集合,结构形成的一般性质与宇宙的平均性质以尺度依赖的方式相互作用,以及用有效标量场描述宇宙学的反作用。
2018-11-14 astro-ph.CO gr-qc
Weak gravity at micron scales from dark bubble cosmology and its cosmological consequences
Uppsala Universitet(乌普萨拉大学)
研究暗泡模型在10^{-5}米尺度上引力变弱的预测,通过桌面实验验证,并解释早期暴胀和宇宙正曲率起源。
2026-06-23 astro-ph.CO gr-qc hep-ph