Gravitationele groei van structuur
De zwaartekracht versterkt de kleine initiële dichtheidsvariaties van het heelal over kosmische tijd, waardoor deze via lineaire groei en vervolgens niet-lineaire ineenstorting veranderen in halo's, sterrenstelsels en clusters.
Definition
De gravitationele groei van structuur is het proces waarbij kleine primordiale dichtheidsverstoringen worden versterkt door de zwaartekracht, lineair groeien zolang ze klein zijn en niet-lineair ineenstorten tot gebonden donkere-materiehalo's die sterrenstelsels en clusters herbergen naarmate het heelal evolueert.
Scope
Dit onderwerp omvat de gravitationele instabiliteit die de structuurvorming aandrijft, de lineaire groei van kleine verstoringen en de afhankelijkheid daarvan van de expansie en de kosmische inhoud, de overgang naar niet-lineaire ineenstorting en de vorming van donkere-materiehalo's, en de analytische en numerieke hulpmiddelen, waaronder het Press-Schechter formalisme en N-body simulaties, die worden gebruikt om dit te beschrijven.
Core questions
- Hoe versterkt de zwaartekracht kleine dichtheidsfluctuaties?
- Wat bepaalt de snelheid van de structuurgroei?
- Hoe storten verstoringen in tot halo's en sterrenstelsels?
Key concepts
- Gravitationele instabiliteit
- Lineaire groeifactor
- Dichtheidscontrast
- Niet-lineaire ineenstorting
- Donkere-materiehalo
- Press-Schechter formalisme
- N-body simulatie
Key theories
- Lineaire groei van verstoringen
- Zolang dichtheidscontrasten klein zijn, groeien verstoringen lineair met een snelheid die wordt bepaald door de expansie en de materie- en donkere-energie-inhoud, dus de groei-geschiedenis is zelf een sonde van de kosmologie.
- Hiërarchische ineenstorting
- Wanneer dichtheidscontrasten groot worden, ontkoppelen gebieden zich van de expansie en storten ze in tot gevirialiseerde halo's, waardoor structuur hiërarchisch wordt opgebouwd van kleine naar grote schalen, zoals vastgelegd door de Press-Schechter massafunctie.
Mechanisms
Overdense gebieden expanderen langzamer dan gemiddeld, waardoor hun dichtheidscontrast toeneemt; zolang het klein is, groeit het contrast volgens een lineaire groeivergelijking die wordt bepaald door zwaartekracht en expansie, en zodra het van orde één wordt, keert het gebied om, stort het in en virialiseert het tot een halo, waarbij de volledige niet-lineaire evolutie wordt gevolgd door numerieke simulaties.
Clinical relevance
De groei van structuur verbindt het gladde vroege heelal met het kosmische web en levert enkele van de sterkste kosmologische beperkingen op: de amplitude en groeisnelheid zijn afhankelijk van donkere materie en donkere energie, dus het meten van structuurgroei via clustering van sterrenstelsels, zwakke lensing en clustertellingen test het standaardmodel en onderzoekt de zwaartekracht op grote schalen.
History
De theorie van gravitationele instabiliteit werd ontwikkeld vanaf Jeans en in kosmologische vorm gebracht door Lifshitz en Peebles; Press en Schechter gaven een analytische massafunctie in 1974, en vanaf de jaren tachtig leverden grote N-body simulaties gedetailleerde voorspellingen voor het kosmische web in koude-donkere-materie-heelallen.
Debates
- Groei als test van zwaartekracht
- Omdat alternatieven voor donkere energie met gemodificeerde zwaartekracht andere structuurgroeisnelheden voorspellen dan de algemene relativiteitstheorie met een kosmologische constante, is het vergelijken van waargenomen groei met voorspellingen een belangrijke test, waarbij de huidige gegevens grotendeels consistent zijn met het standaardmodel, maar nog niet doorslaggevend.
Key figures
- James Peebles
- Yakov Zeldovich
- William Press
- Paul Schechter
- Simon White
Related topics
Seminal works
- peebles1980
- pressschechter1974
Frequently asked questions
- Waarom groeit structuur sneller in sommige heelallen dan in andere?
- De groeisnelheid hangt af van de concurrentie tussen zwaartekracht, die materie samenbrengt, en expansie, die het uit elkaar trekt; meer materie versnelt de groei, terwijl donkere energie die de expansie versnelt, deze vertraagt, dus de groei-geschiedenis codeert de kosmische inhoud.
- Wat zijn N-body simulaties?
- Het zijn computersimulaties die de gravitationele beweging volgen van enorme aantallen deeltjes die donkere materie vertegenwoordigen, waardoor kosmologen de niet-lineaire ineenstorting van structuur kunnen modelleren en het kosmische web kunnen voorspellen ter vergelijking met sterrenstelselonderzoeken.