การก่อกำเนิดโครงสร้างแบบลำดับชั้น

ในแบบจำลองจักรวาลวิทยามาตรฐาน โครงสร้างจะเติบโตจากล่างขึ้นบน โดยที่ฮาโลสสารมืดขนาดเล็กก่อตัวขึ้นก่อนและรวมตัวกันเป็นระบบที่ใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งเป็นที่อยู่ของกาแล็กซี

Definition

การก่อกำเนิดโครงสร้างแบบลำดับชั้นคือกระบวนการที่ความหนาแน่นส่วนเกินขนาดเล็กในจักรวาลยุคแรกเริ่มยุบตัวลงเป็นฮาโลสสารมืดมวลต่ำก่อน ซึ่งจากนั้นจะรวมตัวและสะสมเพื่อสร้างฮาโลที่ใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ รวมถึงกาแล็กซี กลุ่มกาแล็กซี และกระจุกกาแล็กซีที่ฮาโลเหล่านั้นบรรจุอยู่

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการเติบโตของความผันผวนของความหนาแน่นโดยความไม่เสถียรของแรงโน้มถ่วง การรวมตัวของฮาโลสสารมืดจากล่างขึ้นบน คำอธิบายทางสถิติของประชากรฮาโล เช่น ฟังก์ชันมวลฮาโล บทบาทของแผนภูมิต้นไม้การรวมตัว (merger trees) และการจำลองเชิงตัวเลขที่ติดตามการก่อตัวของโครงสร้างจักรวาล

Core questions

• ความผันผวนของความหนาแน่นขนาดเล็กเติบโตเป็นฮาโลสสารมืดที่ถูกผูกมัดได้อย่างไร?
• กฎทางสถิติใดที่อธิบายความอุดมสมบูรณ์ของฮาโลตามฟังก์ชันของมวล?
• ประวัติการรวมตัวของฮาโลถูกแสดงและคำนวณอย่างไร?
• การจำลองจักรวาลวิทยาจำลองใยจักรวาลที่สังเกตได้อย่างไร?

Key theories

ความอุดมสมบูรณ์ของฮาโลตามแบบ Press-Schechter

Press และ Schechter ได้มาจากคำทำนายเชิงวิเคราะห์สำหรับความหนาแน่นเชิงจำนวนของฮาโลที่ยุบตัวลงเป็นฟังก์ชันของมวลและเวลาจากสถิติของความผันผวนของความหนาแน่นแบบเกาส์เซียน

การรวมตัวจากล่างขึ้นบน

จักรวาลวิทยาสสารมืดเย็นทำนายว่าโครงสร้างที่เล็กที่สุดจะยุบตัวลงก่อนและรวมตัวกันขึ้นไป ดังนั้นกาแล็กซีจึงถูกสร้างขึ้นภายในฮาโลที่เติบโตแบบลำดับชั้น แทนที่จะแตกตัวจากระบบที่ใหญ่กว่า

การจำลองจักรวาลวิทยาแบบ N-body

การจำลองขนาดใหญ่ที่ติดตามอนุภาคหลายพันล้านอนุภาคจำลองใยจักรวาลของเส้นใย ฮาโล และช่องว่าง ซึ่งเป็นแกนหลักเชิงปริมาณสำหรับการทดสอบการก่อกำเนิดโครงสร้าง

Clinical relevance

การก่อกำเนิดโครงสร้างแบบลำดับชั้นเชื่อมโยงเงื่อนไขเริ่มต้นที่กำหนดโดยจักรวาลวิทยาเข้ากับการกระจายตัวของกาแล็กซีในปัจจุบัน โดยเป็นกรอบแนวคิดที่ใช้ตีความการก่อกำเนิดกาแล็กซี การรวมกลุ่มของกาแล็กซี และโครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาล

History

แบบแผนของ Press และ Schechter ในปี 1974 เป็นครั้งแรกที่ระบุปริมาณความอุดมสมบูรณ์ของฮาโล และทฤษฎีของ White และ Rees ในปี 1978 ได้วางตำแหน่งกาแล็กซีภายในฮาโลที่กำลังเติบโต การเพิ่มขึ้นของจักรวาลวิทยาสสารมืดเย็นและการจำลองที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่ง culminate ในการรันที่สำคัญ เช่น Millennium Simulation ได้สร้างการก่อกำเนิดแบบลำดับชั้นให้เป็นภาพมาตรฐาน

Key figures

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

Seminal works

• pressschechter1974
• white1978
• springel2005

Frequently asked questions

การก่อกำเนิดโครงสร้างจากล่างขึ้นบนหมายความว่าอย่างไร?

หมายความว่าโครงสร้างขนาดเล็กก่อตัวขึ้นก่อน ในจักรวาลวิทยาสสารมืดเย็น ฮาโลมวลต่ำจะยุบตัวเร็วที่สุด จากนั้นจะรวมตัวและสะสมเพื่อสร้างฮาโล กลุ่มกาแล็กซี และกระจุกกาแล็กซีที่ใหญ่ขึ้น ซึ่งตรงข้ามกับสถานการณ์จากบนลงล่างที่โครงสร้างขนาดใหญ่แตกตัวออก

เหตุใดจึงจำเป็นต้องใช้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์เพื่อศึกษาการก่อกำเนิดโครงสร้าง?

เมื่อความผันผวนของความหนาแน่นมีขนาดใหญ่ขึ้น การเติบโตของพวกมันจะมีความไม่เป็นเชิงเส้นสูงและเกี่ยวข้องกับการปฏิสัมพันธ์ของแรงโน้มถ่วงของอนุภาคจำนวนมหาศาล การจำลองเชิงตัวเลขเป็นวิธีเดียวที่จะติดตามวิวัฒนาการนี้ได้อย่างแม่นยำและเปรียบเทียบกับโครงสร้างที่สังเกตได้