Croissance gravitationnelle des structures

La gravité amplifie les infimes variations initiales de densité de l'univers au cours du temps cosmique, les transformant en halos, galaxies et amas par une croissance linéaire puis un effondrement non linéaire.

Definition

La croissance gravitationnelle des structures est le processus par lequel de petites perturbations de densité primordiales sont amplifiées par la gravité, croissant linéairement tant qu'elles sont faibles et s'effondrant de manière non linéaire en halos de matière noire liés qui abritent des galaxies et des amas à mesure que l'univers évolue.

Scope

Ce sujet couvre l'instabilité gravitationnelle qui est à l'origine de la formation des structures, la croissance linéaire des petites perturbations et sa dépendance à l'expansion et au contenu cosmique, la transition vers l'effondrement non linéaire et la formation des halos de matière noire, ainsi que les outils analytiques et numériques, y compris le formalisme de Press-Schechter et les simulations N-corps, utilisés pour la décrire.

Core questions

• Comment la gravité amplifie-t-elle les petites fluctuations de densité ?
• Qu'est-ce qui contrôle le taux de croissance des structures ?
• Comment les perturbations s'effondrent-elles en halos et en galaxies ?

Key concepts

• Instabilité gravitationnelle
• Facteur de croissance linéaire
• Contraste de densité
• Effondrement non linéaire
• Halo de matière noire
• Formalisme de Press-Schechter
• Simulation N-corps

Key theories

Croissance linéaire des perturbations

Tant que les contrastes de densité sont faibles, les perturbations croissent linéairement à un taux déterminé par l'expansion et le contenu en matière et en énergie noire, de sorte que l'historique de croissance est en soi une sonde de la cosmologie.

Effondrement hiérarchique

Lorsque les contrastes de densité deviennent importants, les régions se découplent de l'expansion et s'effondrent en halos virialisés, construisant des structures hiérarchiquement des petites aux grandes échelles, comme le décrit la fonction de masse de Press-Schechter.

Mechanisms

Les régions surdenses se dilatent plus lentement que la moyenne, augmentant leur contraste de densité ; tant qu'il est faible, le contraste croît selon une équation de croissance linéaire déterminée par la gravité et l'expansion, et une fois qu'il devient de l'ordre de l'unité, la région s'inverse, s'effondre et se virialise en un halo, l'évolution non linéaire complète étant suivie par des simulations numériques.

Clinical relevance

La croissance des structures relie l'univers primordial lisse à la toile cosmique et fournit certaines des contraintes cosmologiques les plus robustes : l'amplitude et le taux de croissance dépendent de la matière noire et de l'énergie noire, de sorte que la mesure de la croissance des structures par le regroupement des galaxies, le lentillage faible (weak lensing) et le dénombrement des amas teste le modèle standard et sonde la gravité à grande échelle.

History

La théorie de l'instabilité gravitationnelle a été développée à partir de Jeans et mise sous forme cosmologique par Lifshitz et Peebles ; Press et Schechter ont proposé une fonction de masse analytique en 1974, et à partir des années 1980, de grandes simulations N-corps ont permis des prédictions détaillées de la toile cosmique dans les univers de matière noire froide (cold dark matter).

Debates

La croissance comme test de la gravité

Étant donné que les alternatives à l'énergie noire basées sur la gravité modifiée prédisent des taux de croissance des structures différents de ceux de la relativité générale avec une constante cosmologique, la comparaison de la croissance observée aux prédictions constitue un test clé, les données actuelles étant globalement cohérentes avec le modèle standard mais pas encore décisives.

Key figures

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

Seminal works

• peebles1980
• pressschechter1974

Frequently asked questions

Pourquoi les structures croissent-elles plus vite dans certains univers que dans d'autres ?

Le taux de croissance dépend de la compétition entre la gravité, qui attire la matière, et l'expansion, qui l'éloigne ; plus il y a de matière, plus la croissance est rapide, tandis que l'énergie noire accélérant l'expansion la ralentit, de sorte que l'historique de croissance encode le contenu cosmique.

Que sont les simulations N-corps ?

Ce sont des simulations informatiques qui suivent le mouvement gravitationnel d'un grand nombre de particules représentant la matière noire, permettant aux cosmologistes de modéliser l'effondrement non linéaire des structures et de prédire la toile cosmique pour la comparer aux relevés de galaxies.