Gravitatives Strukturwachstum

Die Gravitation verstärkt die winzigen anfänglichen Dichteschwankungen des Universums im Laufe der kosmischen Zeit und verwandelt sie durch lineares Wachstum und anschließenden nichtlinearen Kollaps in Halos, Galaxien und Galaxienhaufen.

Definition

Das gravitative Strukturwachstum ist der Prozess, bei dem kleine primordiale Dichtestörungen durch die Gravitation verstärkt werden, linear wachsen, solange sie klein sind, und nichtlinear zu gebundenen Dunkle-Materie-Halos kollabieren, die Galaxien und Galaxienhaufen beherbergen, während sich das Universum entwickelt.

Scope

Dieses Thema behandelt die gravitative Instabilität, die die Strukturbildung antreibt, das lineare Wachstum kleiner Störungen und dessen Abhängigkeit von der Expansion und dem kosmischen Inhalt, den Übergang zum nichtlinearen Kollaps und die Bildung von Dunkle-Materie-Halos sowie die analytischen und numerischen Werkzeuge, einschließlich des Press-Schechter-Formalismus und der N-Körper-Simulationen, die zu deren Beschreibung verwendet werden.

Core questions

• Wie verstärkt die Gravitation kleine Dichtefluktuationen?
• Was steuert die Rate des Strukturwachstums?
• Wie kollabieren Störungen zu Halos und Galaxien?

Key concepts

• Gravitative Instabilität
• Linearer Wachstumsfaktor
• Dichtekontrast
• Nichtlinearer Kollaps
• Dunkle-Materie-Halo
• Press-Schechter-Formalismus
• N-Körper-Simulation

Key theories

Lineares Wachstum von Störungen

Solange Dichtekontraste klein sind, wachsen Störungen linear mit einer Rate, die durch die Expansion und den Materie- und Dunkle-Energie-Gehalt bestimmt wird, sodass die Wachstumshistorie selbst eine Sonde der Kosmologie ist.

Hierarchischer Kollaps

Wenn Dichtekontraste groß werden, entkoppeln sich Regionen von der Expansion und kollabieren zu virialisierten Halos, wodurch sich die Struktur hierarchisch von kleinen zu großen Skalen aufbaut, wie es die Press-Schechter-Massenfunktion erfasst.

Mechanisms

Überdichte Regionen expandieren langsamer als der Durchschnitt, wodurch ihr Dichtekontrast ansteigt; solange der Kontrast klein ist, wächst er gemäß einer linearen Wachstumsgleichung, die durch Gravitation und Expansion bestimmt wird, und sobald er von der Größenordnung Eins wird, kehrt die Region um, kollabiert und virialisiert zu einem Halo, wobei die vollständige nichtlineare Entwicklung durch numerische Simulationen verfolgt wird.

Clinical relevance

Das Strukturwachstum verbindet das glatte frühe Universum mit dem kosmischen Netz und liefert einige der stärksten kosmologischen Einschränkungen: Die Amplitude und Wachstumsrate hängen von Dunkler Materie und Dunkler Energie ab, daher testet die Messung des Strukturwachstums durch Galaxien-Clustering, schwache Gravitationslinsen und Zählungen von Galaxienhaufen das Standardmodell und untersucht die Gravitation auf großen Skalen.

History

Die Theorie der gravitativen Instabilität wurde von Jeans an entwickelt und von Lifshitz und Peebles in kosmologischer Form gebracht; Press und Schechter gaben 1974 eine analytische Massenfunktion an, und ab den 1980er Jahren lieferten große N-Körper-Simulationen detaillierte Vorhersagen für das kosmische Netz in Universen mit kalter Dunkler Materie.

Debates

Wachstum als Test der Gravitation

Da modifizierte Gravitationsalternativen zur Dunklen Energie andere Strukturwachstumsraten vorhersagen als die allgemeine Relativitätstheorie mit einer kosmologischen Konstante, ist der Vergleich des beobachteten Wachstums mit Vorhersagen ein wichtiger Test, wobei die aktuellen Daten weitgehend mit dem Standardmodell übereinstimmen, aber noch nicht entscheidend sind.

Key figures

• James Peebles
• Yakov Zeldovich
• William Press
• Paul Schechter
• Simon White

Seminal works

• peebles1980
• pressschechter1974

Frequently asked questions

Warum wächst die Struktur in einigen Universen schneller als in anderen?

Die Wachstumsrate hängt vom Wettbewerb zwischen der Gravitation, die Materie zusammenzieht, und der Expansion, die sie auseinanderzieht, ab; mehr Materie beschleunigt das Wachstum, während Dunkle Energie, die die Expansion beschleunigt, es verlangsamt, sodass die Wachstumshistorie den kosmischen Inhalt kodiert.

Was sind N-Körper-Simulationen?

Es handelt sich um Computersimulationen, die die gravitative Bewegung einer großen Anzahl von Partikeln, die Dunkle Materie repräsentieren, verfolgen, wodurch Kosmologen den nichtlinearen Kollaps der Struktur modellieren und das kosmische Netz zum Vergleich mit Galaxienuntersuchungen vorhersagen können.