引力结构增长

引力在宇宙时间尺度上放大了宇宙微小的初始密度变化，通过线性增长和随后的非线性坍缩，将它们转化为星系晕、星系和星系团。

Definition

引力结构增长是指小的原初密度扰动在宇宙演化过程中被引力放大，在扰动较小时线性增长，并非线性坍缩成束缚的暗物质晕，这些暗物质晕随后孕育了星系和星系团。

Scope

本主题涵盖了驱动结构形成的引力不稳定性、小扰动的线性增长及其对宇宙膨胀和宇宙内容的依赖性、向非线性坍缩和暗物质晕形成的转变，以及用于描述它的分析和数值工具，包括Press-Schechter理论和N体模拟。

Core questions

• 引力如何放大微小的密度波动？
• 什么控制着结构增长的速率？
• 扰动如何坍缩成星系晕和星系？

Key concepts

• 引力不稳定性
• 线性增长因子
• 密度对比度
• 非线性坍缩
• 暗物质晕
• Press-Schechter理论
• N体模拟

Key theories

扰动的线性增长

当密度对比度较小时，扰动以由膨胀以及物质和暗能量含量决定的速率线性增长，因此增长历史本身就是宇宙学的一个探针。

分层坍缩

当密度对比度变大时，区域会脱离膨胀并坍缩成引力弛豫的星系晕，从而从小的尺度到大的尺度分层构建结构，这由Press-Schechter质量函数所描述。

Mechanisms

密度过高的区域比平均区域膨胀得更慢，从而提高了它们的密度对比度；当对比度较小时，它根据由引力和膨胀决定的线性增长方程增长，一旦对比度达到约1，该区域就会停止膨胀，坍缩并引力弛豫形成一个星系晕，其完整的非线性演化通过数值模拟进行追踪。

Clinical relevance

结构增长将平滑的早期宇宙与宇宙网联系起来，并提供了最强的宇宙学限制：增长的幅度和速率取决于暗物质和暗能量，因此通过星系聚类、弱引力透镜和星系团计数来测量结构增长，可以检验标准模型并探测大尺度上的引力。

History

引力不稳定性理论从金斯（Jeans）开始发展，并由利夫希茨（Lifshitz）和皮布尔斯（Peebles）以宇宙学形式提出；普雷斯（Press）和谢赫特（Schechter）在1974年给出了一个解析质量函数，从1980年代开始，大型N体模拟对冷暗物质宇宙中的宇宙网做出了详细预测。

Debates

增长作为引力检验

由于暗能量的修正引力替代方案预测的结构增长率与带有宇宙学常数的广义相对论不同，因此将观测到的增长与预测进行比较是一个关键的检验，目前的数据与标准模型大致一致，但尚未具有决定性。

Key figures

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

Seminal works

• peebles1980
• pressschechter1974

Frequently asked questions

为什么在某些宇宙中结构增长得更快？

增长率取决于引力（将物质聚集在一起）和膨胀（将物质分开）之间的竞争；更多的物质会加速增长，而加速膨胀的暗能量会减缓增长，因此增长历史编码了宇宙的内容。

什么是N体模拟？

它们是计算机模拟，追踪大量代表暗物质的粒子的引力运动，使宇宙学家能够模拟结构的非线性坍缩并预测宇宙网，以便与星系巡天数据进行比较。