構造の重力成長

重力は、宇宙の初期のわずかな密度変動を宇宙時間とともに増幅させ、線形成長と非線形崩壊を経て、それらをハロー、銀河、および銀河団へと変化させます。

Definition

構造の重力成長とは、宇宙が進化するにつれて、小さな原始密度摂動が重力によって増幅され、小さい間は線形に成長し、非線形に崩壊して銀河や銀河団を宿す結合したダークマターハローとなる過程を指します。

Scope

このトピックでは、構造形成を駆動する重力不安定性、小さな摂動の線形成長とその膨張および宇宙の内容物への依存性、非線形崩壊への移行とダークマターハローの形成、そしてそれを記述するために使用されるプレス・シェクター形式やN体シミュレーションを含む解析的および数値的ツールについて扱います。

Core questions

• 重力はどのようにして小さな密度ゆらぎを増幅させるのでしょうか？
• 構造成長の速度は何によって制御されるのでしょうか？
• 摂動はどのようにしてハローや銀河へと崩壊するのでしょうか？

Key concepts

• 重力不安定性
• 線形成長因子
• 密度コントラスト
• 非線形崩壊
• ダークマターハロー
• プレス・シェクター形式
• N体シミュレーション

Key theories

摂動の線形成長

密度コントラストが小さい間、摂動は膨張と物質およびダークエネルギーの含有量によって設定される速度で線形に成長するため、成長履歴自体が宇宙論のプローブとなります。

階層的崩壊

密度コントラストが大きくなると、領域は膨張から切り離され、ビリアル化したハローへと崩壊し、プレス・シェクター質量関数によって捉えられるように、小規模から大規模へと階層的に構造を構築します。

Mechanisms

平均よりも密度の高い領域は平均よりもゆっくりと膨張し、その密度コントラストを高めます。小さい間は、重力と膨張によって設定される線形成長方程式に従ってコントラストが増大し、オーダー1になるとその領域は反転し、崩壊してハローへとビリアル化します。完全な非線形進化は数値シミュレーションによって追跡されます。

Clinical relevance

構造の成長は、滑らかな初期宇宙と宇宙の網状構造を結びつけ、最も強力な宇宙論的制約のいくつかを提供します。振幅と成長率はダークマターとダークエネルギーに依存するため、銀河のクラスター化、弱い重力レンズ、および銀河団の数を通して構造の成長を測定することは、標準モデルを検証し、大規模な重力を探る上で重要です。

History

重力不安定性理論はジーンズ以降に発展し、リフシッツとピーブルスによって宇宙論的形態に置かれました。プレスとシェクターは1974年に解析的な質量関数を提示し、1980年代からは大規模なN体シミュレーションが冷たいダークマター宇宙における宇宙の網状構造の詳細な予測を行いました。

Debates

重力の検証としての成長

ダークエネルギーに対する修正重力理論は、宇宙定数を持つ一般相対性理論とは異なる構造成長率を予測するため、観測された成長を予測と比較することは重要な検証となります。現在のデータは標準モデルと概ね一致していますが、まだ決定的なものではありません。

Key figures

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

Seminal works

• peebles1980
• pressschechter1974

Frequently asked questions

なぜ宇宙によっては構造がより速く成長するのでしょうか？

成長率は、物質を引き寄せる重力と、物質を引き離す膨張との間の競合に依存します。より多くの物質は成長を加速させ、膨張を加速させるダークエネルギーは成長を遅らせるため、成長履歴には宇宙の内容物が符号化されています。

N体シミュレーションとは何ですか？

N体シミュレーションは、ダークマターを表す膨大な数の粒子の重力運動を追跡するコンピュータシミュレーションであり、宇宙学者が構造の非線形崩壊をモデル化し、銀河サーベイとの比較のために宇宙の網状構造を予測することを可能にします。