การเติบโตของโครงสร้างจากแรงโน้มถ่วง

แรงโน้มถ่วงจะขยายความแปรผันของความหนาแน่นเริ่มต้นที่เล็กน้อยของเอกภพเมื่อเวลาผ่านไปในระดับจักรวาล เปลี่ยนให้เป็นฮาโล (halos) กาแล็กซี และกระจุกกาแล็กซี ผ่านการเติบโตเชิงเส้นตรงและการยุบตัวแบบไม่เป็นเชิงเส้น

Definition

การเติบโตของโครงสร้างจากแรงโน้มถ่วงคือกระบวนการที่การรบกวนความหนาแน่นดั้งเดิมขนาดเล็กถูกขยายโดยแรงโน้มถ่วง โดยเติบโตแบบเชิงเส้นตรงในขณะที่ยังเล็ก และยุบตัวแบบไม่เป็นเชิงเส้นกลายเป็นฮาโลสสารมืดที่ถูกผูกมัด ซึ่งเป็นที่อยู่ของกาแล็กซีและกระจุกกาแล็กซีเมื่อเอกภพวิวัฒนาการ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงความไม่เสถียรของแรงโน้มถ่วงที่เป็นตัวขับเคลื่อนการก่อตัวของโครงสร้าง การเติบโตเชิงเส้นตรงของการรบกวนขนาดเล็กและการพึ่งพาการขยายตัวและองค์ประกอบของจักรวาล การเปลี่ยนผ่านสู่การยุบตัวแบบไม่เป็นเชิงเส้นและการก่อตัวของฮาโลสสารมืด รวมถึงเครื่องมือเชิงวิเคราะห์และเชิงตัวเลข ซึ่งรวมถึงแบบจำลอง Press-Schechter และการจำลอง N-body ที่ใช้ในการอธิบายปรากฏการณ์นี้

Core questions

• แรงโน้มถ่วงขยายความผันผวนของความหนาแน่นขนาดเล็กได้อย่างไร?
• อะไรเป็นตัวควบคุมอัตราการเติบโตของโครงสร้าง?
• การรบกวนยุบตัวกลายเป็นฮาโลและกาแล็กซีได้อย่างไร?

Key concepts

• ความไม่เสถียรของแรงโน้มถ่วง
• ปัจจัยการเติบโตเชิงเส้นตรง
• ความแตกต่างของความหนาแน่น
• การยุบตัวแบบไม่เป็นเชิงเส้น
• ฮาโลสสารมืด
• แบบจำลอง Press-Schechter
• การจำลอง N-body

Key theories

การเติบโตเชิงเส้นตรงของการรบกวน

ในขณะที่ความแตกต่างของความหนาแน่นมีค่าน้อย การรบกวนจะเติบโตแบบเชิงเส้นตรงด้วยอัตราที่กำหนดโดยการขยายตัวและปริมาณสสารและพลังงานมืด ดังนั้นประวัติการเติบโตจึงเป็นเครื่องมือในการสำรวจจักรวาลวิทยาด้วยตัวมันเอง

การยุบตัวแบบลำดับชั้น

เมื่อความแตกต่างของความหนาแน่นมีค่ามาก บริเวณต่างๆ จะแยกตัวออกจากการขยายตัวและยุบตัวกลายเป็นฮาโลที่เกิดภาวะสมดุล สร้างโครงสร้างแบบลำดับชั้นจากขนาดเล็กไปสู่ขนาดใหญ่ตามที่ฟังก์ชันมวล Press-Schechter อธิบายไว้

Mechanisms

บริเวณที่มีความหนาแน่นสูงกว่าค่าเฉลี่ยจะขยายตัวช้ากว่า ทำให้ความแตกต่างของความหนาแน่นเพิ่มขึ้น ในขณะที่ยังเล็ก ความแตกต่างนี้จะเติบโตตามสมการการเติบโตเชิงเส้นตรงที่กำหนดโดยแรงโน้มถ่วงและการขยายตัว และเมื่อความแตกต่างนี้มีค่าประมาณหนึ่ง บริเวณนั้นจะหยุดขยายตัว ยุบตัว และเกิดภาวะสมดุลกลายเป็นฮาโล โดยวิวัฒนาการแบบไม่เป็นเชิงเส้นทั้งหมดจะถูกติดตามโดยการจำลองเชิงตัวเลข

Clinical relevance

การเติบโตของโครงสร้างเชื่อมโยงเอกภพยุคแรกที่ราบเรียบเข้ากับใยจักรวาล (cosmic web) และให้ข้อจำกัดทางจักรวาลวิทยาที่แข็งแกร่งที่สุดบางประการ: ขนาดและอัตราการเติบโตขึ้นอยู่กับสสารมืดและพลังงานมืด ดังนั้นการวัดการเติบโตของโครงสร้างผ่านการรวมกลุ่มของกาแล็กซี การเลนส์โน้มถ่วงแบบอ่อน และจำนวนกระจุกกาแล็กซีจึงเป็นการทดสอบแบบจำลองมาตรฐานและสำรวจแรงโน้มถ่วงในระดับใหญ่

History

ทฤษฎีความไม่เสถียรของแรงโน้มถ่วงได้รับการพัฒนาตั้งแต่ Jeans เป็นต้นมา และถูกนำมาใช้ในรูปแบบจักรวาลวิทยาโดย Lifshitz และ Peebles; Press และ Schechter ได้นำเสนอฟังก์ชันมวลเชิงวิเคราะห์ในปี 1974 และตั้งแต่ทศวรรษ 1980 การจำลอง N-body ขนาดใหญ่ได้สร้างการคาดการณ์โดยละเอียดสำหรับใยจักรวาลในเอกภพสสารมืดเย็น

Debates

การเติบโตเป็นการทดสอบแรงโน้มถ่วง

เนื่องจากทางเลือกของแรงโน้มถ่วงที่ปรับเปลี่ยนเพื่อทดแทนพลังงานมืดทำนายอัตราการเติบโตของโครงสร้างที่แตกต่างจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่มีค่าคงที่จักรวาลวิทยา การเปรียบเทียบการเติบโตที่สังเกตได้กับการคาดการณ์จึงเป็นการทดสอบที่สำคัญ โดยข้อมูลปัจจุบันโดยรวมแล้วสอดคล้องกับแบบจำลองมาตรฐานแต่ยังไม่สามารถตัดสินได้อย่างเด็ดขาด

Key figures

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

Seminal works

• peebles1980
• pressschechter1974

Frequently asked questions

ทำไมโครงสร้างจึงเติบโตเร็วกว่าในบางเอกภพ?

อัตราการเติบโตขึ้นอยู่กับการแข่งขันระหว่างแรงโน้มถ่วงที่ดึงสสารเข้าหากัน และการขยายตัวที่ดึงสสารออกจากกัน สสารที่มากขึ้นจะเร่งการเติบโต ในขณะที่พลังงานมืดที่เร่งการขยายตัวจะทำให้การเติบโตช้าลง ดังนั้นประวัติการเติบโตจึงเข้ารหัสองค์ประกอบของจักรวาลไว้

การจำลอง N-body คืออะไร?

เป็นการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ที่ติดตามการเคลื่อนที่ของอนุภาคจำนวนมหาศาลที่แสดงถึงสสารมืดภายใต้แรงโน้มถ่วง ทำให้นักจักรวาลวิทยาสามารถสร้างแบบจำลองการยุบตัวแบบไม่เป็นเชิงเส้นของโครงสร้างและคาดการณ์ใยจักรวาลเพื่อเปรียบเทียบกับการสำรวจกาแล็กซี