Formação de Estruturas Relativísticas

A formação de estruturas relativísticas explica como pequenas flutuações de densidade no universo primordial cresceram sob a gravidade, formando as galáxias, aglomerados e a teia cósmica que observamos, utilizando a teoria de perturbação construída sobre o fundo de Friedmann em expansão.

Definition

A formação de estruturas relativísticas é a teoria da relatividade geral sobre como pequenas perturbações num universo homogêneo em expansão evoluem, tratando flutuações acopladas na métrica e na matéria para prever o crescimento estatístico da estrutura cósmica a partir de sementes primordiais.

Scope

Este tópico abrange a teoria de perturbação cosmológica linear num fundo de Friedmann, a decomposição de perturbações em modos escalar, vetorial e tensorial, as questões de gauge (calibração) únicas das perturbações da relatividade geral e o uso de variáveis invariantes de gauge, o crescimento dos contrastes de densidade da matéria e a impressão das perturbações no fundo cósmico de micro-ondas e na estrutura em larga escala.

Core questions

• Como pequenas flutuações de densidade iniciais crescem e se transformam em galáxias e aglomerados?
• Por que as perturbações devem ser tratadas com cuidado em relação ao gauge na relatividade geral?
• Como as perturbações previstas se conectam à estrutura observável e ao fundo de micro-ondas?

Key concepts

• Contraste de densidade
• Modos escalar, vetorial e tensorial
• Perturbações invariantes de gauge
• Fator de crescimento
• Espectro de potência
• Anisotropias da CMB

Key theories

Teoria de perturbação cosmológica

A linearização das equações de Einstein e das equações de fluidos em torno do fundo de Friedmann fornece equações de evolução para as perturbações da métrica e da matéria, cujos modos escalares descrevem a instabilidade gravitacional que faz crescer os contrastes de densidade em estrutura.

Invariância de gauge das perturbações

Como as escolhas de coordenadas podem mimetizar ou ocultar perturbações físicas na relatividade geral, a formação de estruturas é formulada com variáveis invariantes de gauge ou em gauges fixos para garantir que o crescimento previsto corresponda a uma inomogeneidade genuína e observável.

Clinical relevance

A teoria de perturbação conecta a física do universo primordial à observação: ela prevê o padrão estatístico das flutuações de temperatura do fundo cósmico de micro-ondas e o espectro de potência das galáxias, que juntos restringem as densidades de matéria escura e energia escura e testam modelos de inflação que estabeleceram as condições iniciais.

History

Lifshitz analisou pela primeira vez o crescimento relativístico de perturbações em 1946; Bardeen introduziu variáveis invariantes de gauge em 1980, resolvendo ambiguidades de longa data, e a estrutura amadureceu juntamente com medições de precisão do fundo cósmico de micro-ondas que confirmaram suas previsões com notável detalhe.

Key figures

• Evgeny Lifshitz
• James Bardeen
• Viatcheslav Mukhanov

Seminal works

• mukhanov1992
• weinberg2008

Frequently asked questions

Por que o gauge é importante para as perturbações cosmológicas?

Na relatividade geral, uma mudança de coordenadas pode fazer com que um universo suave pareça perturbado ou vice-versa, de modo que uma perturbação ingênua pode ser um artefato puramente coordenado; usar combinações invariantes de gauge ou fixar cuidadosamente o gauge garante que o crescimento da estrutura calculado seja físico.

Como sabemos que as flutuações iniciais existiram?

Sua impressão direta é vista como as minúsculas anisotropias de temperatura no fundo cósmico de micro-ondas, cujo padrão estatístico medido corresponde às previsões da teoria de perturbação relativística que evolui flutuações primordiais quase invariantes de escala.