Cosmic strings and early structure formation

山内大介ICRR (~2013/3) -> RESCEU (2013/4~)

SKA-JP 「銀河進化と遠方宇宙」 , 2013/2/20@京都

共同研究者：北嶋直弥 (ICRR), 川崎雅裕 (ICRR)

宇宙弦とは…

場の理論的宇宙弦 (Field-theoretic cosmic strings)

1/14/2011 Daisuke YAMAUCHI 3

φ1

φ2

V(φ)T > Tc

T = TcT < Tc

y

x

宇宙ひも

場の空間 物理的空間

弦理論的宇宙弦(cosmic superstrings)

D- ブレーン 反 D- ブレーン

[Sarangi+Tye (2002), Jones+Stoica+Tye(2003), Dvali+Vilenkin(2004)]

• D- ブレーン - 反 D- ブレーン間の引力によるインフレーション• ブレーン対消滅のエネルギーによって再加熱　　　→ 低次元物体 ( 弦 ) にエネルギーの転化

弦理論的インフレーション模型

宇宙弦の 2 つの可能性

場の理論的宇宙弦

弦理論的宇宙弦• スーパーストリング理論の基礎物

体• インフレーション終了時に生成• 弦理論のプローブ

• ひも状の位相欠陥• 自発的対称性の破れ時に生成• 相転移のプローブ

21cm 線観測にはどんな影響を及ぼすか

[Bevis, Hindmarsh, Kunz, Urrestilla, 2007]

ウェイク

バリオンとの相互作用

21cm 線観測への影響宇宙弦

[Khatri+Wandelt, PRL 100, 091302 (2008)]

active perturbations

別の方法 重力レンズ

• グラディエントモード

　

• カールモード→ 関口さんのトーク

21cm 線観測への影響宇宙弦

active perturbations バリオンとの相互作用宇宙弦の強い重力によって測地線が変化

非線形構造 = “ ウェイク” 板状構造の直接観測

　

早い構造形成 → 早い再イオン化(?)

　

宇宙弦起源ミニハロー

[Brandenberger+(2010), Hernandes+(2011),Pagano+(2012)]

宇宙弦の作る時空構造：円錐構造

4/8/2011 Daisuke YAMAUCHI 9

欠陥角

From Vilenkin-Shellard

局所的には平坦

Cosmic string wake

欠損角

欠損角

横から見て

上から見て相対速度

`` ウェイク’’

[Stebbins+Veeraraghavan+Brandenberger+Silk+Turok (1987)]

ウェイクの構造ショック面

ショック面

同一視

Tshock ~ mH u2

ρbwake ~ 4 (Tshock/Tcool) ρb

[Pogosian+Vikenkin,PRD70,063523(2004)]

ターンアラウンド面

ターンアラウンド面

ウェイクで構造形成

いまさら宇宙弦で構造形成主要素：インフレーション起源（ほ

ぼ） Gaussian 揺らぎ部分要素：宇宙ひも起源 highly non-Gaussian 揺

らぎ+

小さくとも、構造を作りやすい！

δ=δρ/ρ δ=δρ/ρ

確率分布

確率分布

δc δc

ハロー ハロー

Gaussian highly non-Gaussian

ウェイク生成

崩壊して構造形成

[Wandelt, ApJ 503, 67 (1998)]

wakez=8 z=4

z=2 z=1

z=0.5 z=0

Fragmentation of wake into beads横から見て

上から見て

Free-fall time 後d

d

d~LJ

d~LJ

~1/H ~1/H

[Pogosian+Vikenkin,PRD70,063523(2004)]

ビーズ生成率

　 tff で今見えているウェイクが全てビーズに崩壊 ⇒ tff ごとに大きさ LJ のビーズを ~1/H2LJ

2 個生成

Free-fall time 後

LJ

LJ LJ

~1/H

~1/H

MD 中に生成したウェイクの発展Mh =Σwaked2

~tff

生成時間zi

z

Mcrit ~106Msun

“String halo”

“String wake”

z*

ウェイク崩壊

String wake が崩壊せず残る

RD 中に生成したウェイクの発展

tff

zeq

z

“String halo”

Mh =Σwaked2

ウェイク崩壊

Mcrit ~106Msun

String halo mass function

Mh

MD 中に生成したウェイクが崩壊したハロー

RD 中に生成したウェイクが崩壊したハロー

崩壊していないウェイク

Mcrit ~106Msun

dn/d(lnM)

String halo mass function

MD 中に生成したウェイクが崩壊したハロー

RD 中に生成したウェイクが崩壊したハロー

PS(z=10)

PS(z=30)

PS(z=20)

Tvir = 1000K

ウェイク生成時の赤方偏移ビ

リア

ル温

度

[K]

Gμ=3×10-7, P=1

Preliminary

そうこうしているうちに ...

先週、先にやられてしまいました…

[1302.3467]

String halo profile

まとめ 宇宙弦 → 揺らぎの主成分ではないが

…非線形性を通じて構造形成に影響を及ぼ

す！ z>20 では弦ハローが支配的早い再イオン化・・・