Гравитационный рост структур

Гравитация усиливает крошечные начальные вариации плотности Вселенной с течением космического времени, превращая их в гало, галактики и скопления посредством линейного роста, а затем нелинейного коллапса.

Definition

Гравитационный рост структур — это процесс, при котором малые первичные возмущения плотности усиливаются гравитацией, линейно растут, пока они малы, и нелинейно коллапсируют в связанные гало темной материи, которые содержат галактики и скопления по мере эволюции Вселенной.

Scope

Эта тема охватывает гравитационную неустойчивость, которая управляет формированием структур, линейный рост малых возмущений и его зависимость от расширения и космического содержимого, переход к нелинейному коллапсу и формирование гало темной материи, а также аналитические и численные инструменты, включая формализм Пресса-Шехтера и N-частичные симуляции, используемые для его описания.

Core questions

• Как гравитация усиливает малые флуктуации плотности?
• Что контролирует скорость роста структур?
• Как возмущения коллапсируют в гало и галактики?

Key concepts

• Гравитационная неустойчивость
• Линейный фактор роста
• Контраст плотности
• Нелинейный коллапс
• Гало темной материи
• Формализм Пресса-Шехтера
• N-частичное моделирование

Key theories

Линейный рост возмущений

Пока контрасты плотности малы, возмущения растут линейно со скоростью, определяемой расширением и содержанием материи и темной энергии, поэтому история роста сама по себе является зондом космологии.

Иерархический коллапс

Когда контрасты плотности становятся большими, области отделяются от расширения и коллапсируют в вириализованные гало, строя структуру иерархически от малых до больших масштабов, как это описывается функцией масс Пресса-Шехтера.

Mechanisms

Области с избыточной плотностью расширяются медленнее, чем в среднем, увеличивая свой контраст плотности; пока он мал, контраст растет в соответствии с линейным уравнением роста, определяемым гравитацией и расширением, и как только он становится порядка единицы, область разворачивается, коллапсирует и вириализуется в гало, при этом полная нелинейная эволюция отслеживается численными симуляциями.

Clinical relevance

Рост структур связывает гладкую раннюю Вселенную с космической паутиной и предоставляет одни из самых сильных космологических ограничений: амплитуда и скорость роста зависят от темной материи и темной энергии, поэтому измерение роста структур посредством кластеризации галактик, слабого линзирования и подсчета скоплений проверяет стандартную модель и исследует гравитацию в больших масштабах.

History

Теория гравитационной неустойчивости развивалась начиная с Джинса и была представлена в космологической форме Лифшицем и Пиблсом; Пресс и Шехтер предложили аналитическую функцию масс в 1974 году, а с 1980-х годов крупные N-частичные симуляции дали подробные предсказания для космической паутины во вселенных с холодной темной материей.

Debates

Рост как проверка гравитации

Поскольку модифицированные гравитационные альтернативы темной энергии предсказывают иные скорости роста структур, чем общая теория относительности с космологической постоянной, сравнение наблюдаемого роста с предсказаниями является ключевым тестом, при этом текущие данные в целом согласуются со стандартной моделью, но еще не являются решающими.

Key figures

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

Seminal works

• peebles1980
• pressschechter1974

Frequently asked questions

Почему структуры растут быстрее в одних вселенных, чем в других?

Скорость роста зависит от конкуренции между гравитацией, которая стягивает материю, и расширением, которое ее раздвигает; большее количество материи ускоряет рост, в то время как темная энергия, ускоряющая расширение, замедляет его, поэтому история роста кодирует космическое содержимое.

Что такое N-частичные симуляции?

Это компьютерные симуляции, которые отслеживают гравитационное движение огромного количества частиц, представляющих темную материю, позволяя космологам моделировать нелинейный коллапс структур и предсказывать космическую паутину для сравнения с обзорами галактик.