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宇宙纤维状结构的演化研究进展

现代宇宙学的主要研究对象之一是宇宙的网络结构(large-scale structure of the Universe)。通过海量观测数据、结构形成理论和计算机数值模拟(simulations)限制宇宙学模型和参数,能够帮助我们理解宇宙的起源、宇宙的演化和各类物理问题。宇宙大尺度结构中包含了大量的宇宙学信息,研究宇宙大尺度结构的一个关键步骤就是寻找从低红移宇宙欧拉(Eulerian)空间中的可观测天体到高红移早期宇宙拉格朗日(Lagrangian)空间中宇宙原初扰动性质之间的映射。通过宇宙原初扰动的性质可以探究各类天文和物理问题,如:暗物质和暗能量的性质?宇宙是否通过暴胀(inflation)起源?宇宙是否循环?宇宙原初扰动的性质?是否存在原初引力波?宇宙的各个物理性质和数学性质是否满足对称性?


通过N体数值模拟程序CUBE(Yu et al. 2018)模拟宇宙的演化,我们验证了宇宙纤维状结构的角动量性质作为这一媒介的可行性。宇宙纤维状结构(cosmic filaments)是宇宙网中最大的和最显著的成团结构之一。近期的观测和模拟都证实了宇宙纤维状结构具有一定的角动量属性。我们利用纤维状结构搜索程序SHMAFF在N体模拟中研究了纤维状结构的角动量在拉格朗日空间中的起源与性质,以及其随着宇宙大尺度结构演化的守恒性和可预测性。


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上图(文章中图1)显示了宇宙演化模拟体积内认证的纤维状结构(左);以及一纤维样本的欧拉空间和拉格朗日空间的凸包(convex hull, 即数学上可容纳给定点集的最小凸多面体)可视化示意图,以及其角动量在两空间之间的相关性(右)。文章的主要结果展示出: 宇宙纤维状结构与其在拉格朗日空间的原初对应体的角动量矢量方向和矢量大小都有着显著的正相关性。通过角动量重构(spin reconstruction)方法发现纤维状结构的角动量可以从宇宙初始条件中得到预测。基于此研究,我们可以在比星系与暗物质晕更大的尺度上探究宇宙的原初扰动。


相关论文 Spin conservation of cosmic filaments 2022年3月30日发表于 Physical Review D,第一作者为厦门大学天文系研究生盛明捷,第二作者为厦门大学天文系研究生李思佳,通信作者为厦门大学天文系副教授于浩然。此工作得到了国家自然科学基金资助。


论文原文链接:

https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.105.063540

论文ArXiv链接:

https://arxiv.org/abs/2110.15512