Crescimento Gravitacional da Estrutura

A gravidade amplifica as minúsculas variações iniciais de densidade do universo ao longo do tempo cósmico, transformando-as em halos, galáxias e aglomerados através de crescimento linear e, em seguida, colapso não linear.

Definition

O crescimento gravitacional da estrutura é o processo pelo qual pequenas perturbações primordiais de densidade são amplificadas pela gravidade, crescendo linearmente enquanto pequenas e colapsando de forma não linear em halos de matéria escura ligados que abrigam galáxias e aglomerados à medida que o universo evolui.

Scope

Este tópico abrange a instabilidade gravitacional que impulsiona a formação de estruturas, o crescimento linear de pequenas perturbações e sua dependência da expansão e do conteúdo cósmico, a transição para o colapso não linear e a formação de halos de matéria escura, e as ferramentas analíticas e numéricas, incluindo o formalismo de Press-Schechter e as simulações N-body, usadas para descrevê-lo.

Core questions

• Como a gravidade amplifica pequenas flutuações de densidade?
• O que controla a taxa de crescimento da estrutura?
• Como as perturbações colapsam em halos e galáxias?

Key concepts

• Instabilidade gravitacional
• Fator de crescimento linear
• Contraste de densidade
• Colapso não linear
• Halo de matéria escura
• Formalismo de Press-Schechter
• Simulação N-body

Key theories

Crescimento linear de perturbações

Enquanto os contrastes de densidade são pequenos, as perturbações crescem linearmente a uma taxa definida pela expansão e pelo conteúdo de matéria e energia escura, de modo que a história do crescimento é em si uma sonda da cosmologia.

Colapso hierárquico

Quando os contrastes de densidade se tornam grandes, as regiões se desacoplam da expansão e colapsam em halos virializados, construindo a estrutura hierarquicamente de pequenas a grandes escalas, conforme capturado pela função de massa de Press-Schechter.

Mechanisms

Regiões superdensas expandem-se mais lentamente do que a média, aumentando seu contraste de densidade; enquanto pequeno, o contraste cresce de acordo com uma equação de crescimento linear definida pela gravidade e expansão, e uma vez que se torna da ordem da unidade, a região inverte, colapsa e virializa em um halo, com a evolução não linear completa sendo acompanhada por simulações numéricas.

Clinical relevance

O crescimento da estrutura liga o universo inicial suave à teia cósmica e fornece algumas das mais fortes restrições cosmológicas: a amplitude e a taxa de crescimento dependem da matéria escura e da energia escura, então a medição do crescimento da estrutura através do agrupamento de galáxias, lentes gravitacionais fracas e contagens de aglomerados testa o modelo padrão e sonda a gravidade em grandes escalas.

History

A teoria da instabilidade gravitacional foi desenvolvida a partir de Jeans e colocada em forma cosmológica por Lifshitz e Peebles; Press e Schechter apresentaram uma função de massa analítica em 1974, e a partir da década de 1980, grandes simulações N-body fizeram previsões detalhadas para a teia cósmica em universos de matéria escura fria.

Debates

Crescimento como um teste da gravidade

Como as alternativas de gravidade modificada à energia escura preveem diferentes taxas de crescimento da estrutura do que a relatividade geral com uma constante cosmológica, comparar o crescimento observado com as previsões é um teste chave, com os dados atuais amplamente consistentes com o modelo padrão, mas ainda não decisivos.

Key figures

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

Seminal works

• peebles1980
• pressschechter1974

Frequently asked questions

Por que a estrutura cresce mais rápido em alguns universos do que em outros?

A taxa de crescimento depende da competição entre a gravidade, que atrai a matéria, e a expansão, que a afasta; mais matéria acelera o crescimento, enquanto a energia escura acelerando a expansão o retarda, de modo que a história do crescimento codifica o conteúdo cósmico.

O que são simulações N-body?

São simulações computacionais que acompanham o movimento gravitacional de um grande número de partículas representando a matéria escura, permitindo aos cosmólogos modelar o colapso não linear da estrutura e prever a teia cósmica para comparação com levantamentos de galáxias.