结构形成与暴胀

星系和宇宙网是由微小的原初涨落经引力作用而形成的，而暴胀（一种短暂的指数膨胀）被认为将这些涨落从量子起源拉伸开来。

Definition

结构形成是指微小的原初密度涨落通过引力作用成长为星系、星系团和宇宙网的过程；暴胀是宇宙极早期一个假想的加速膨胀时期，它解释了宇宙的大尺度均匀性和平坦性，并播下了涨落的种子。

Scope

本领域涵盖宇宙暴胀理论及其解决的问题、暴胀产生的原初密度扰动的起源和统计、这些扰动在引力作用下成长为星系和星系团的过程，以及通过星系巡天绘制的宇宙大尺度结构。

Sub-topics

• Cosmic Inflation and the Early Universe
• 引力结构增长
• 宇宙大尺度结构
• 原初密度微扰

Core questions

• 什么是宇宙暴胀？它解决了哪些问题？
• 最初的密度涨落从何而来？
• 引力是如何将微小的涨落转化为星系和宇宙网的？

Key concepts

• 暴胀
• 原初功率谱
• 标度不变性
• 引力不稳定性
• 宇宙网
• 视界问题和平坦性问题
• 量子涨落

Key theories

宇宙暴胀

早期宇宙短暂的加速膨胀时期自然地解释了其观测到的平坦性、均匀性和缺乏遗迹单极子，并产生了近乎标度不变的扰动谱。

引力不稳定性

密度略高于平均水平的区域会吸引更多物质并增长，因此引力将原初涨落放大为今天观测到的星系、星系团和星系丝。

Clinical relevance

结构形成和暴胀将平滑的早期宇宙与我们观测到的丰富宇宙联系起来：暴胀为初始条件提供了主要的解释，并通过宇宙微波背景辐射进行了检验，而结构增长则将这些初始条件与星系巡天联系起来，为暗物质、暗能量和标准模型提供了有力的检验。

History

皮布尔斯（Peebles）等人于20世纪70年代发展了引力不稳定性理论；古斯（Guth）于1981年提出了暴胀理论，以解决视界问题和平坦性问题，而穆哈诺夫（Mukhanov）、林德（Linde）等人则表明暴胀可以产生后来在宇宙微波背景辐射中观测到并由星系巡天追踪到的扰动。

Debates

暴胀范式的现状

暴胀优雅地解释了宇宙的许多特征并通过了关键检验，但许多可能的暴胀模型以及关于预测性和初始条件的问题使其理论地位仍在积极争论中。

Key figures

• Alan Guth
• Andrei Linde
• Viatcheslav Mukhanov
• James Peebles
• Yakov Zeldovich

Seminal works

• guth1981
• peebles1980

Frequently asked questions

暴胀解决了哪些问题？

暴胀解释了为什么宇宙在即使无法交换信号的区域之间看起来也相同（视界问题），为什么空间如此接近平坦（平坦性问题），以及某些遗迹的缺失，同时还播下了形成结构的涨落种子。

星系是如何从一个近乎均匀的宇宙中形成的？

早期宇宙存在微小的密度变化，大约十万分之一；引力导致密度较高的区域在数十亿年间增长，吸引物质形成星系、星系团和丝状宇宙网。