Sự phát triển cấu trúc hấp dẫn

Lực hấp dẫn khuếch đại những biến đổi mật độ ban đầu rất nhỏ của vũ trụ theo thời gian vũ trụ, biến chúng thành các quầng, thiên hà và cụm thông qua sự phát triển tuyến tính và sau đó là sự sụp đổ phi tuyến tính.

Definition

Sự phát triển cấu trúc hấp dẫn là quá trình mà các nhiễu loạn mật độ nguyên thủy nhỏ được khuếch đại bởi lực hấp dẫn, phát triển tuyến tính khi còn nhỏ và sụp đổ phi tuyến tính thành các quầng vật chất tối liên kết, nơi chứa các thiên hà và cụm khi vũ trụ tiến hóa.

Scope

Chủ đề này bao gồm sự bất ổn định hấp dẫn thúc đẩy sự hình thành cấu trúc, sự phát triển tuyến tính của các nhiễu loạn nhỏ và sự phụ thuộc của nó vào sự giãn nở và các thành phần vũ trụ, sự chuyển đổi sang sự sụp đổ phi tuyến tính và sự hình thành các quầng vật chất tối, cũng như các công cụ phân tích và số học, bao gồm công thức Press-Schechter và mô phỏng N-body, được sử dụng để mô tả nó.

Core questions

• Làm thế nào lực hấp dẫn khuếch đại các dao động mật độ nhỏ?
• Điều gì kiểm soát tốc độ phát triển cấu trúc?
• Làm thế nào các nhiễu loạn sụp đổ thành các quầng và thiên hà?

Key concepts

• Bất ổn định hấp dẫn
• Hệ số tăng trưởng tuyến tính
• Độ tương phản mật độ
• Sụp đổ phi tuyến tính
• Quầng vật chất tối
• Công thức Press-Schechter
• Mô phỏng N-body

Key theories

Sự phát triển tuyến tính của các nhiễu loạn

Trong khi độ tương phản mật độ còn nhỏ, các nhiễu loạn phát triển tuyến tính với tốc độ được thiết lập bởi sự giãn nở và hàm lượng vật chất và năng lượng tối, vì vậy lịch sử tăng trưởng tự nó là một công cụ thăm dò vũ trụ học.

Sụp đổ phân cấp

Khi độ tương phản mật độ trở nên lớn, các vùng tách rời khỏi sự giãn nở và sụp đổ thành các quầng virial hóa, xây dựng cấu trúc theo thứ bậc từ quy mô nhỏ đến lớn như được thể hiện bởi hàm khối lượng Press-Schechter.

Mechanisms

Các vùng quá mật độ giãn nở chậm hơn mức trung bình, làm tăng độ tương phản mật độ của chúng; khi còn nhỏ, độ tương phản tăng theo một phương trình tăng trưởng tuyến tính được thiết lập bởi lực hấp dẫn và sự giãn nở, và một khi nó trở thành đơn vị, vùng đó quay lại, sụp đổ và virial hóa thành một quầng, với sự tiến hóa phi tuyến tính đầy đủ được theo dõi bằng các mô phỏng số.

Clinical relevance

Sự phát triển cấu trúc liên kết vũ trụ sơ khai mịn màng với mạng lưới vũ trụ và cung cấp một số ràng buộc vũ trụ học mạnh mẽ nhất: biên độ và tốc độ tăng trưởng phụ thuộc vào vật chất tối và năng lượng tối, vì vậy việc đo lường sự phát triển cấu trúc thông qua sự phân cụm thiên hà, thấu kính hấp dẫn yếu và số lượng cụm kiểm tra mô hình chuẩn và thăm dò lực hấp dẫn trên quy mô lớn.

History

Lý thuyết bất ổn định hấp dẫn được phát triển từ Jeans trở đi và được Lifshitz và Peebles đưa ra dưới dạng vũ trụ học; Press và Schechter đã đưa ra một hàm khối lượng phân tích vào năm 1974, và từ những năm 1980, các mô phỏng N-body lớn đã đưa ra các dự đoán chi tiết cho mạng lưới vũ trụ trong các vũ trụ vật chất tối lạnh.

Debates

Sự phát triển như một thử nghiệm của lực hấp dẫn

Bởi vì các lựa chọn thay thế lực hấp dẫn đã sửa đổi cho năng lượng tối dự đoán tốc độ tăng trưởng cấu trúc khác với thuyết tương đối rộng với hằng số vũ trụ, việc so sánh sự tăng trưởng quan sát được với các dự đoán là một thử nghiệm quan trọng, với dữ liệu hiện tại nhìn chung phù hợp với mô hình chuẩn nhưng chưa mang tính quyết định.

Key figures

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

Seminal works

• peebles1980
• pressschechter1974

Frequently asked questions

Tại sao cấu trúc phát triển nhanh hơn ở một số vũ trụ so với những vũ trụ khác?

Tốc độ tăng trưởng phụ thuộc vào sự cạnh tranh giữa lực hấp dẫn, kéo vật chất lại với nhau, và sự giãn nở, kéo vật chất ra xa; nhiều vật chất hơn làm tăng tốc độ tăng trưởng, trong khi năng lượng tối làm tăng tốc độ giãn nở làm chậm nó, vì vậy lịch sử tăng trưởng mã hóa các thành phần vũ trụ.

Mô phỏng N-body là gì?

Chúng là các mô phỏng máy tính theo dõi chuyển động hấp dẫn của một số lượng lớn các hạt đại diện cho vật chất tối, cho phép các nhà vũ trụ học mô hình hóa sự sụp đổ phi tuyến tính của cấu trúc và dự đoán mạng lưới vũ trụ để so sánh với các khảo sát thiên hà.