Cosmic strings and early structure formation

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1 Cosmic strings and early structure formation
SKA-JP 「銀河進化と遠方宇宙」, Cosmic strings and early structure formation 山内大介 ICRR (~2013/3) -> RESCEU (2013/4~) 共同研究者：北嶋直弥(ICRR), 川崎雅裕(ICRR)

2 宇宙弦とは…

3 場の理論的宇宙弦 (Field-theoretic cosmic strings)
φ1 φ2 V(φ) 宇宙ひも T > Tc T = Tc T < Tc y x 場の空間 物理的空間 1/14/2011 Daisuke YAMAUCHI

4 弦理論的宇宙弦 (cosmic superstrings)
[Sarangi+Tye (2002), Jones+Stoica+Tye(2003), Dvali+Vilenkin(2004)] 弦理論的インフレーション模型 D-ブレーン 反D-ブレーン 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

5 [Bevis, Hindmarsh, Kunz, Urrestilla, 2007]
宇宙弦の2つの可能性 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 場の理論的宇宙弦 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 [Bevis, Hindmarsh, Kunz, Urrestilla, 2007] 21cm線観測にはどんな影響を及ぼすか

6 ウェイク

7 21cm線観測への影響 宇宙弦 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 宇宙弦 active perturbations バリオンとの相互作用 [Khatri+Wandelt, PRL 100, (2008)]

8 21cm線観測への影響 宇宙弦 active perturbations 非線形構造 = “ウェイク” 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)]

9 From Vilenkin-Shellard
宇宙弦の作る時空構造：円錐構造 欠陥角 局所的には平坦 From Vilenkin-Shellard 4/8/2011 Daisuke YAMAUCHI

10 Cosmic string wake 横から見て 欠損角 相対速度 ``ウェイク’’ 上から見て

11 ウェイクの構造 ショック面 Tshock ~ mH u2 ρbwake ~ 4 (Tshock/Tcool) ρb ターンアラウンド面
[Pogosian+Vikenkin,PRD70,063523(2004)] 同一視 ターンアラウンド面 [Stebbins+Veeraraghavan+Brandenberger+Silk+Turok (1987)]

12 ウェイクで構造形成

13 + 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！ 確率分布 確率分布 highly non-Gaussian Gaussian ハロー ハロー δ=δρ/ρ δc δc δ=δρ/ρ

14 ウェイク生成 崩壊して構造形成 z=8 z=4 wake z=2 z=1 z=0.5 z=0
[Wandelt, ApJ 503, 67 (1998)]

15 Fragmentation of wake into beads
横から見て d~LJ d Free-fall time後 ~1/H ~1/H d 上から見て [Pogosian+Vikenkin,PRD70,063523(2004)]

16 ビーズ生成率 LJ LJ ~1/H ~1/H tffで今見えているウェイクが全てビーズに崩壊
Free-fall time後 ~1/H 　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/H2LJ2 個生成

17 MD中に生成したウェイクの発展 z* z ~tff Mh =Σwaked2 Mcrit ~106Msun “String halo”
ウェイク崩壊 “String halo” Mcrit ~106Msun “String wake” 生成時間zi z String wakeが崩壊せず残る ~tff

18 RD中に生成したウェイクの発展 z Mh =Σwaked2 Mcrit ~106Msun “String halo” zeq tff
ウェイク崩壊 “String halo” Mcrit ~106Msun zeq z tff

19 String halo mass function
dn/d(lnM) RD中に生成したウェイクが崩壊したハロー MD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 Mh Mcrit ~106Msun

20 String halo mass function
Tvir = 1000K ウェイク生成時の赤方偏移 ビリアル温度 [K] PS(z=10) PS(z=20) PS(z=30) Preliminary RD中に生成したウェイクが崩壊したハロー MD中に生成したウェイクが崩壊したハロー Gμ=3×10-7, P=1

21 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… [ ]

22 String halo profile

23 非線形性を通じて構造形成に影響を及ぼす！
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 ・・・