相对论性结构形成

相对论性结构形成解释了早期宇宙中微小的密度涨落如何在引力作用下演化成我们观测到的星系、星系团和宇宙网，其理论基础是建立在膨胀的弗里德曼背景上的微扰理论。

Definition

相对论性结构形成是关于均匀膨胀宇宙中微小微扰如何演化的广义相对论理论，它处理度规和物质中耦合的涨落，以预测宇宙结构从原初种子开始的统计增长。

Scope

本主题涵盖弗里德曼背景上的线性宇宙学微扰理论、微扰分解为标量、矢量和张量模式、广义相对论微扰特有的规范问题以及规范不变变量的使用、物质密度对比的增长，以及微扰对宇宙微波背景和大尺度结构的影响。

Core questions

• 微小的初始密度涨落如何演化成星系和星系团？
• 为什么在广义相对论中必须谨慎处理微扰的规范问题？
• 预测的微扰如何与可观测的结构和微波背景联系起来？

Key concepts

• 密度对比
• 标量、矢量和张量模式
• 规范不变微扰
• 增长因子
• 功率谱
• 宇宙微波背景各向异性

Key theories

宇宙学微扰理论

对爱因斯坦方程和流体方程在弗里德曼背景下进行线性化，得到度规和物质微扰的演化方程，其标量模式描述了将密度对比增长为结构的引力不稳定性。

微扰的规范不变性

由于坐标选择在广义相对论中可能模拟或隐藏物理微扰，结构形成通过规范不变变量或在固定规范中进行表述，以确保预测的增长对应于真实的、可观测的不均匀性。

Clinical relevance

微扰理论将早期宇宙物理学与观测联系起来：它预测了宇宙微波背景温度涨落的统计模式和星系功率谱，这些共同限制了暗物质和暗能量的密度，并检验了设定初始条件的暴胀模型。

History

利夫希茨于1946年首次分析了微扰的相对论性增长；巴丁于1980年引入了规范不变变量，解决了长期存在的模糊性，该框架随着宇宙微波背景的精确测量而成熟，这些测量以惊人的细节证实了其预测。

Key figures

• Evgeny Lifshitz
• James Bardeen
• Viatcheslav Mukhanov

Seminal works

• mukhanov1992
• weinberg2008

Frequently asked questions

为什么规范对宇宙学微扰很重要？

在广义相对论中，坐标变换可以使光滑的宇宙看起来有微扰，反之亦然，因此一个简单的微扰可能纯粹是坐标伪影；使用规范不变组合或仔细固定规范可以确保计算出的结构增长是物理的。

我们如何知道初始涨落的存在？

它们的直接印记表现为宇宙微波背景中微小的温度各向异性，其测量的统计模式与相对论微扰理论演化近乎标度不变的原初涨落的预测相符。