Formação de Estruturas Hierárquicas

No modelo cosmológico padrão, a estrutura cresce de baixo para cima, com pequenos halos de matéria escura formando-se primeiro e fundindo-se em sistemas cada vez maiores que abrigam galáxias.

Definition

A formação de estruturas hierárquicas é o processo pelo qual pequenas sobredensidades no universo primordial colapsam primeiro em halos de matéria escura de baixa massa, que então se fundem e acrescem para construir progressivamente halos maiores e as galáxias, grupos e aglomerados que eles contêm.

Scope

Este tópico abrange o crescimento de flutuações de densidade por instabilidade gravitacional, a montagem de baixo para cima de halos de matéria escura, descrições estatísticas da população de halos, como a função de massa de halos, o papel das árvores de fusão e as simulações numéricas que acompanham a formação da estrutura cósmica.

Core questions

• Como pequenas flutuações de densidade crescem e se tornam halos de matéria escura ligados?
• Quais leis estatísticas descrevem a abundância de halos em função da massa?
• Como as histórias de fusão de halos são representadas e calculadas?
• Como as simulações cosmológicas reproduzem a teia cósmica observada?

Key theories

Abundância de halos de Press-Schechter

Press e Schechter derivaram uma previsão analítica para a densidade numérica de halos colapsados em função da massa e do tempo a partir das estatísticas de flutuações de densidade gaussianas.

Montagem de baixo para cima

A cosmologia da matéria escura fria prevê que as estruturas menores colapsam primeiro e se fundem para cima, de modo que as galáxias são construídas dentro de halos que crescem hierarquicamente, em vez de se fragmentarem de sistemas maiores.

Simulações cosmológicas N-body

Grandes simulações que acompanham bilhões de partículas reproduzem a teia cósmica de filamentos, halos e vazios, fornecendo a espinha dorsal quantitativa para testar a formação de estruturas.

Clinical relevance

A formação de estruturas hierárquicas conecta as condições iniciais estabelecidas pela cosmologia à distribuição atual de galáxias, fornecendo a estrutura dentro da qual a formação de galáxias, o agrupamento e a estrutura em larga escala do universo são interpretados.

History

O formalismo de Press e Schechter de 1974 quantificou pela primeira vez as abundâncias de halos, e a teoria de White e Rees de 1978 posicionou as galáxias dentro de halos em crescimento. A ascensão da cosmologia da matéria escura fria e simulações cada vez mais poderosas, culminando em execuções marcantes como a Simulação Millennium, estabeleceu a formação hierárquica como o quadro padrão.

Key figures

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

Seminal works

• pressschechter1974
• white1978
• springel2005

Frequently asked questions

O que significa formação de estrutura de baixo para cima?

Significa que as pequenas estruturas se formam primeiro. Na cosmologia da matéria escura fria, os halos de baixa massa colapsam mais cedo e depois se fundem e acrescem para montar halos, grupos e aglomerados maiores, o oposto de um cenário de cima para baixo, onde grandes estruturas se fragmentam.

Por que as simulações de computador são necessárias para estudar a formação de estruturas?

Uma vez que as flutuações de densidade se tornam grandes, seu crescimento é altamente não linear e envolve a interação gravitacional de um vasto número de partículas. As simulações numéricas são a única maneira de acompanhar essa evolução com precisão e compará-la com a estrutura observada.