Gravitationell tillväxt av strukturer

Gravitationen förstärker universums små initiala densitetsvariationer över kosmisk tid och omvandlar dem till halon, galaxer och galaxhopar genom linjär tillväxt och sedan icke-linjär kollaps.

Definition

Den gravitationella tillväxten av strukturer är den process genom vilken små primordiella densitetsperturbationer förstärks av gravitationen, växer linjärt när de är små och kollapsar icke-linjärt till bundna mörk materia-halon som hyser galaxer och galaxhopar när universum utvecklas.

Scope

Detta ämne behandlar den gravitationella instabilitet som driver strukturformering, den linjära tillväxten av små perturbationer och dess beroende av expansionen och det kosmiska innehållet, övergången till icke-linjär kollaps och bildandet av mörk materia-halon, samt de analytiska och numeriska verktyg, inklusive Press-Schechter-formalismen och N-kroppssimuleringar, som används för att beskriva den.

Core questions

• Hur förstärker gravitationen små densitetsfluktuationer?
• Vad styr hastigheten för strukturtillväxt?
• Hur kollapsar perturbationer till halon och galaxer?

Key concepts

• Gravitationell instabilitet
• Linjär tillväxtfaktor
• Densitetkontrast
• Icke-linjär kollaps
• Mörk materia-halo
• Press-Schechter-formalismen
• N-kroppssimulering

Key theories

Linjär tillväxt av perturbationer

Medan densitetskontrasterna är små, växer perturbationerna linjärt med en hastighet som bestäms av expansionen samt innehållet av materia och mörk energi, så tillväxthistorien är i sig en sond för kosmologin.

Hierarkisk kollaps

När densitetskontrasterna blir stora, frikopplas regioner från expansionen och kollapsar till virialiserade halon, vilket bygger upp strukturer hierarkiskt från små till stora skalor, vilket fångas av Press-Schechters massfunktion.

Mechanisms

Övertäta regioner expanderar långsammare än genomsnittet, vilket ökar deras densitetskontrast; medan kontrasten är liten växer den enligt en linjär tillväxtekvation som bestäms av gravitation och expansion, och när den blir av storleksordningen ett vänder regionen om, kollapsar och virialiseras till en halo, med den fullständiga icke-linjära utvecklingen följd av numeriska simuleringar.

Clinical relevance

Strukturtillväxten kopplar samman det jämna tidiga universum med det kosmiska nätet och ger några av de starkaste kosmologiska begränsningarna: amplituden och tillväxthastigheten beror på mörk materia och mörk energi, så att mäta strukturtillväxt genom galaxklustring, svag linsning och antal galaxhopar testar standardmodellen och undersöker gravitationen på stora skalor.

History

Teorin om gravitationell instabilitet utvecklades från Jeans och framåt och sattes i kosmologisk form av Lifshitz och Peebles; Press och Schechter gav en analytisk massfunktion 1974, och från 1980-talet gjorde stora N-kroppssimuleringar detaljerade förutsägelser för det kosmiska nätet i universum med kall mörk materia.

Debates

Tillväxt som ett test av gravitationen

Eftersom modifierade gravitationsteorier som alternativ till mörk energi förutsäger andra strukturtillväxthastigheter än allmän relativitet med en kosmologisk konstant, är en jämförelse av observerad tillväxt med förutsägelser ett nyckeltest, där nuvarande data i stort sett överensstämmer med standardmodellen men ännu inte är avgörande.

Key figures

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

Seminal works

• peebles1980
• pressschechter1974

Frequently asked questions

Varför växer strukturer snabbare i vissa universum än i andra?

Tillväxthastigheten beror på konkurrensen mellan gravitationen, som drar samman materia, och expansionen, som drar isär den; mer materia påskyndar tillväxten, medan mörk energi som accelererar expansionen saktar ner den, så tillväxthistorien kodar det kosmiska innehållet.

Vad är N-kroppssimuleringar?

De är datorsimuleringar som följer den gravitationella rörelsen av ett stort antal partiklar som representerar mörk materia, vilket gör det möjligt för kosmologer att modellera den icke-linjära kollapsen av strukturer och förutsäga det kosmiska nätet för jämförelse med galaxkartläggningar.