Formation hiérarchique des structures

Dans le modèle cosmologique standard, la formation des structures procède de bas en haut, les petits halos de matière noire se formant en premier et fusionnant en des systèmes de plus en plus grands qui abritent les galaxies.

Definition

La formation hiérarchique des structures est le processus par lequel de petites surdensités dans l'univers primordial s'effondrent d'abord en halos de matière noire de faible masse, qui fusionnent et s'accrètent ensuite pour construire progressivement des halos plus grands ainsi que les galaxies, groupes et amas qu'ils contiennent.

Scope

Ce sujet aborde la croissance des fluctuations de densité par instabilité gravitationnelle, l'assemblage ascendant des halos de matière noire, les descriptions statistiques de la population de halos telles que la fonction de masse des halos, le rôle des arbres de fusion et les simulations numériques qui suivent la formation de la structure cosmique.

Core questions

• Comment de petites fluctuations de densité se transforment-elles en halos de matière noire liés ?
• Quelles lois statistiques décrivent l'abondance des halos en fonction de leur masse ?
• Comment les histoires de fusion des halos sont-elles représentées et calculées ?
• Comment les simulations cosmologiques reproduisent-elles la toile cosmique observée ?

Key theories

Abondance des halos de Press-Schechter

Press et Schechter ont dérivé une prédiction analytique pour la densité numérique des halos effondrés en fonction de la masse et du temps à partir des statistiques des fluctuations de densité gaussiennes.

Assemblage ascendant

La cosmologie de la matière noire froide prédit que les plus petites structures s'effondrent en premier et fusionnent vers le haut, de sorte que les galaxies se construisent au sein de halos qui croissent hiérarchiquement plutôt que de se fragmenter à partir de systèmes plus grands.

Simulations cosmologiques N-corps

De grandes simulations suivant des milliards de particules reproduisent la toile cosmique de filaments, de halos et de vides, fournissant le cadre quantitatif pour tester la formation des structures.

Clinical relevance

La formation hiérarchique des structures relie les conditions initiales établies par la cosmologie à la distribution actuelle des galaxies, fournissant le cadre dans lequel la formation des galaxies, leur regroupement et la structure à grande échelle de l'univers sont interprétés.

History

Le formalisme de Press et Schechter de 1974 a quantifié pour la première fois les abondances de halos, et la théorie de White et Rees de 1978 a situé les galaxies au sein de halos en croissance. L'essor de la cosmologie de la matière noire froide et des simulations de plus en plus puissantes, culminant avec des exécutions marquantes telles que la Millennium Simulation, a établi la formation hiérarchique comme le modèle standard.

Key figures

• William Press
• Paul Schechter
• Simon White
• Volker Springel

Seminal works

• pressschechter1974
• white1978
• springel2005

Frequently asked questions

Que signifie la formation de structures de bas en haut ?

Cela signifie que les petites structures se forment en premier. Dans la cosmologie de la matière noire froide, les halos de faible masse s'effondrent le plus tôt, puis fusionnent et s'accrètent pour former des halos, des groupes et des amas plus grands, à l'opposé d'un scénario descendant où de grandes structures se fragmentent.

Pourquoi les simulations informatiques sont-elles nécessaires pour étudier la formation des structures ?

Une fois que les fluctuations de densité deviennent importantes, leur croissance est fortement non linéaire et implique l'interaction gravitationnelle d'un grand nombre de particules. Les simulations numériques sont le seul moyen de suivre cette évolution avec précision et de la comparer à la structure observée.