Формирование структуры - Structure formation

Эта статья написано как личное размышление, личное эссе или аргументированное эссе который излагает личные чувства редактора Википедии или представляет оригинальный аргумент по теме. Пожалуйста помогите улучшить это переписав его в энциклопедический стиль. (Июль 2014 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Часть серии по
Физическая космология
Большой взрыв  · Вселенная Возраст вселенной Хронология Вселенной
Ранняя вселенная Эпоха Планка Эпоха великого объединения Электрослабая эпоха Кварковая эпоха Адронная эпоха Лептонная эпоха Фотонная эпоха Нуклеосинтез Большого взрыва Инфляция Темные времена Звездоносная эра Фоны Космический фоновый радиационный фон (CBR) Фон гравитационных волн (ФГВ) Космический микроволновый фон (CMB)  · Космический нейтринный фон (CNB) Космический инфракрасный фон (ИНБ)
Расширение· Будущее Закон Хаббла  · Красное смещение Расширение Вселенной Ускоряющееся расширение Вселенной Сопутствующие и правильные расстояния Метрика FLRW  · Уравнения Фридмана Неоднородная космология Будущее расширяющейся Вселенной Конечная судьба вселенной Тепловая смерть вселенной Большой разрыв Большой хруст Большой отскок
Составные части· Структура Составные части Лямбда-CDM модель Барионная материя Экзотическая материя Энергия Отрицательная энергия Нулевая энергия Энергия вакуума Радиация Фоновое излучение Темная энергия Квинтэссенция Фантомная энергия Темная материя Холодная темная материя Теплая темная материя Смешанная темная материя Горячая темная материя Светлая темная материя Самовзаимодействующая темная материя Скалярное поле темной материи Темное излучение Темная жидкость Зеркальное дело Структура Форма вселенной Реионизация  · Формирование структуры Формирование галактики Крупномасштабная конструкция Большая группа квазаров Нить галактики Сверхскопление Скопление галактик Группа галактик Местная группа Галактика Ореол темной материи Звездное скопление Солнечная система Планетная система Пустота
Эксперименты Бумеранг Исследователь космического фона (COBE) Обзор темной энергии Евклид Проект Illustris Обсерватория Веры К. Рубин Космическая обсерватория Планка Слоан цифровой обзор неба (SDSS) Обзор красного смещения галактики 2dF ("2dF") ВселеннаяМашина Микроволновая анизотропия Уилкинсона Зонд (WMAP)
Ученые Ааронсон Альфвен Альфер Бхарадвадж Коперник де Ситтер Дике Эддингтон Элерс Эйнштейн Эллис Фридман Галилео Гамов Guth Хаббл Лемэтр Linde Mather Ньютон Penzias Вбивать в голову Шмидт Шварцшильд Гладкий Старобинский Steinhardt Suntzeff Сюняев Толман Уилсон Зельдович
История темы Открытие космического микроволн фоновое излучение История теории большого взрыва Религиозные интерпретации теория большого взрыва Хронология космологических теорий
Категория  Астрономический портал

В физическая космология, формирование структуры это образование галактик, скоплений галактик и более крупных структур из небольших ранних флуктуаций плотности. В вселенная, как теперь известно из наблюдений за космический микроволновый фон излучения, начавшегося в горячем, плотном, почти однородном состоянии примерно 13,8 миллиарда лет назад.^[1] Однако, глядя сегодня в небо, мы видим структуры всех масштабов, начиная с звезды и планеты к галактики а в еще больших масштабах скопления галактик и пластинчатые структуры галактик, разделенные огромными пустотами, содержащими несколько галактик. Формирование структуры пытается смоделировать, как эти структуры образовались из-за гравитационной нестабильности небольшой ранней ряби плотности.^[2][3][4][5]

Современный Лямбда-CDM модель успешно предсказывает наблюдаемое крупномасштабное распределение галактик, скоплений и пустот; но в масштабе отдельных галактик есть много сложностей из-за сильно нелинейных процессов, включающих барионную физику, нагрев и охлаждение газа, звездообразование и обратную связь. Понимание процессов образования галактик - основная тема современных космологических исследований, как с помощью таких наблюдений, как Сверхглубокое поле Хаббла и с помощью компьютерного моделирования.

Обзор

Согласно существующим моделям, структура видимой Вселенной формировалась в следующие этапы:

Очень ранняя вселенная

На этом этапе какой-то механизм, например космическая инфляция, отвечал за установление начальных условий Вселенной: однородности, изотропии и плоскостности.^[3][6] Космическая инфляция также усилил бы мельчайшие квантовые флуктуации (до инфляции) в легкую рябь избыточной и недостаточной плотности (после инфляции).

Рост структуры

В ранней Вселенной преобладала радиация; в этом случае флуктуации плотности, превышающие космический горизонт, растут пропорционально масштабному фактору, поскольку флуктуации гравитационного потенциала остаются постоянными. Сооружения меньше горизонта оставались практически замороженными из-за преобладания радиации, препятствующей росту. По мере расширения Вселенной плотность излучения падает быстрее, чем материи (из-за красного смещения энергии фотонов); это привело к переходу, названному равенством материи и излучения, примерно через 50 000 лет после Большого взрыва. После этого вся рябь темной материи могла свободно расти, образуя семена, в которые впоследствии могли упасть барионы. Размер Вселенной в эту эпоху формирует круговорот материи. спектр мощности которые можно измерить в больших обзоры красного смещения.

Рекомбинация

На протяжении большей части этой стадии во Вселенной преобладала радиация, и из-за сильной жары и радиации первичный водород и гелий были полностью ионизированы в ядра и свободные электроны. В этой горячей и плотной ситуации излучение (фотоны) не могло распространяться далеко раньше. Томсоновское рассеяние от электрона. Вселенная была очень горячей и плотной, но быстро расширялась и, следовательно, остывала. Наконец, менее чем через 400 000 лет после «взрыва» он стал достаточно холодным (около 3000 K), чтобы протоны захватили отрицательно заряженные электроны, образуя нейтральные атомы водорода. (Атомы гелия образовались несколько раньше из-за большей энергии связи). Когда почти все заряженные частицы были связаны в нейтральные атомы, фотоны больше не взаимодействовали с ними и могли свободно распространяться в течение следующих 13,8 миллиардов лет; в настоящее время мы обнаруживаем те фотоны, смещенные в красную сторону в 1090 раз до 2,725 К, как космическое микроволновое фоновое излучение (CMB ) наполняет сегодняшнюю вселенную. Несколько замечательных космических миссий (COBE, WMAP, Планк ), обнаружили очень незначительные изменения плотности и температуры реликтового излучения. Эти изменения были незначительными, и реликтовое излучение практически одинаково во всех направлениях. Однако небольшие колебания температуры порядка нескольких частей на 100000 имеют огромное значение, поскольку они, по сути, были ранними «зародышами», из которых в конечном итоге развились все последующие сложные структуры во Вселенной.

Теория того, что произошло после первых 400000 лет существования Вселенной, - это теория формирования иерархической структуры: более мелкие гравитационно связанные структуры, такие как пики материи, содержащие первые звезды и звездные скопления, сформировались первыми, а затем они слились с газом и темной материей, образуя галактики. с последующим группы, кластеры и сверхскопления галактик.

Очень ранняя вселенная

Самая ранняя Вселенная все еще остается плохо изученной эпохой с точки зрения фундаментальной физики. Преобладающая теория, космическая инфляция, хорошо объясняет наблюдаемые плоскостность, однородность и изотропия Вселенной, а также отсутствие экзотики реликтовые частицы (Такие как магнитные монополи ). Другое предсказание, подтвержденное наблюдениями, состоит в том, что крошечные возмущения в изначальной вселенной приводят к более позднему формированию структуры. Эти колебания, хотя и составляют основу всей структуры, наиболее явно выглядят как крошечные температура колебания в одной части на 100000. (Чтобы представить это в перспективе, тот же уровень колебаний на топографическая карта Соединенных Штатов не будет показывать никаких деталей выше нескольких сантиметров.^{[требуется разъяснение ]}Эти колебания имеют решающее значение, потому что они обеспечивают зародыши, из которых могут вырасти самые большие структуры и в конечном итоге схлопнуться с образованием галактик и звезд. COBE (Cosmic Background Explorer) предоставил первое обнаружение внутренних флуктуаций космического микроволнового фонового излучения в 1990-х годах.

Считается, что эти возмущения имеют очень специфический характер: они образуют Гауссовское случайное поле ковариационная функция которого диагональна и почти масштабно-инвариантна. Наблюдаемые колебания, по-видимому, имеют именно такую ​​форму, и, кроме того, спектральный индекс измеряется WMAP - спектральный индекс измеряет отклонение от масштабно-инвариантный (или Харрисона-Зельдовича) спектр - это очень близко значение, предсказываемое простейшими и наиболее надежными моделями инфляции. Еще одно важное свойство первичных возмущений - то, что они адиабатические (или изэнтропический между различными видами материи, составляющими Вселенную), предсказывается космической инфляцией и подтверждается наблюдениями.

Были предложены и другие теории очень ранней Вселенной, которые, как утверждается, делают аналогичные предсказания, такие как космология газа на бране, циклическая модель, модель до большого взрыва и голографическая вселенная, но они еще только зарождаются и не получили широкого распространения. Некоторые теории, такие как космические струны, были в значительной степени опровергнуты более точными данными.

Проблема горизонта

Физический размер радиуса Хаббла (сплошная линия) как функция масштабного фактора Вселенной. Также показана физическая длина волны режима возмущения (пунктирная линия). График показывает, как режим возмущения покидает горизонт во время космической инфляции, чтобы вернуться в него во время доминирования излучения. Если космической инфляции никогда не было, а господство радиации продолжалось до тех пор, пока гравитационная сингулярность, то мода никогда бы не покинула горизонт в очень ранней Вселенной.

Важным понятием в формировании структуры является понятие Радиус Хаббла, часто называемый просто горизонт, поскольку это тесно связано с горизонт частиц. Радиус Хаббла, связанный с параметром Хаббла ${ displaystyle H}$ в качестве ${ Displaystyle R = c / H}$, куда ${ displaystyle c}$ это скорость света, определяет, грубо говоря, объем ближайшей Вселенной, которая недавно (во время последнего расширения) находилась в причинный контакт с наблюдателем. Поскольку Вселенная постоянно расширяется, ее плотность энергии постоянно уменьшается (в отсутствие истинного экзотика Такие как фантомная энергия ). В Уравнение фридмана связывает плотность энергии Вселенной с параметром Хаббла и показывает, что радиус Хаббла постоянно увеличивается.

В проблема горизонта Космология большого взрыва утверждает, что без инфляции возмущения никогда не вступали бы в причинный контакт до того, как они вошли в горизонт, и, таким образом, однородность и изотропность, например, крупномасштабных распределений галактик не может быть объяснена. Это потому, что в обычном Космология Фридмана – Лемэтра – Робертсона – Уокера, радиус Хаббла увеличивается быстрее, чем расширяется пространство, поэтому возмущения входят только в радиус Хаббла и не вытесняются расширением. Этот парадокс разрешается космической инфляцией, которая предполагает, что во время фазы быстрого расширения в ранней Вселенной радиус Хаббла был почти постоянным. Таким образом, крупномасштабная изотропия возникает из-за квантовых флуктуаций, возникающих во время космической инфляции, которые выталкиваются за горизонт.

Изначальная плазма

Конец инфляции называется разогрев, когда инфляционные частицы распадаются на горячую тепловую плазму других частиц. В эту эпоху энергосодержание Вселенной полностью состоит из излучения, а частицы стандартной модели имеют релятивистские скорости. Когда плазма остывает, бариогенез и лептогенез считаются происходящими, поскольку кварк-глюонная плазма охлаждает, нарушение электрослабой симметрии происходит, и Вселенная в основном состоит из обычных протоны, нейтроны и электроны. По мере того как вселенная остывает дальше, Нуклеосинтез Большого взрыва происходит и небольшое количество дейтерий, гелий и литий ядра созданы. По мере того, как Вселенная охлаждается и расширяется, энергия фотонов начинает удаляться в красную сторону, частицы становятся нерелятивистскими, и обычная материя начинает доминировать во Вселенной. В конце концов, атомы начинают формироваться, когда свободные электроны связываются с ядрами. Это подавляет Томсоновское рассеяние фотонов. В сочетании с разрежением Вселенной (и, как следствие, увеличением длина свободного пробега фотонов), это делает Вселенную прозрачной, а космический микроволновый фон излучается при рекомбинации ( поверхность последнего рассеяния).

Акустические колебания

Первичная плазма должна была иметь очень небольшую избыточную плотность материи, которая, как считается, возникла в результате увеличения квантовых флуктуаций во время инфляции. Каким бы ни был источник, эти сверхплотности гравитационно притягивают материю. Но интенсивное нагревание почти постоянных взаимодействий фотона с веществом в эту эпоху довольно сильно стремится к тепловому равновесию, которое создает большое количество внешнего давления. Эти противодействующие силы тяжести и давления создают колебания, аналогичные звуковым волнам, создаваемым в воздухе разницей давления.

Эти возмущения важны, поскольку они ответственны за тонкую физику, которая приводит к анизотропии космического микроволнового фона. В эту эпоху амплитуда возмущений, которые попадают в горизонт, колеблется синусоидально, при этом плотные области становятся более разреженными, а затем снова становятся плотными, с частотой, которая связана с размером возмущения. Если возмущение колеблется целое или полуцелое число раз между попаданием в горизонт и рекомбинацией, оно проявляется как акустический пик анизотропии космического микроволнового фона. (Половина колебания, в которой плотная область становится разреженной областью или наоборот, появляется как пик, потому что анизотропия отображается как спектр мощности, поэтому пониженная плотность вносит такой же вклад в мощность, как и повышенная.) Физика, которая определяет детальную структуру пика микроволнового фона, сложна, но эти колебания обеспечивают суть.^{[7][8][9][10][11]}

Линейная структура

Эволюция двух возмущений ΛCDM однородная модель большого взрыва. Между входом в горизонт и разъединением возмущение темной материи (пунктирная линия) растет логарифмически, прежде чем рост ускорится при преобладании материи. С другой стороны, между входом в горизонт и разъединением возмущение в барионно-фотонной жидкости (сплошная линия) быстро колеблется. После разделения он быстро растет, чтобы соответствовать преобладающему возмущению материи, моде темной материи.

Одним из ключевых выводов космологов 1970-х и 1980-х годов было то, что большинство иметь значение содержание вселенной состояло не из атомы, а скорее загадочная форма материи, известная как темная материя. Темная материя взаимодействует через силу сила тяжести, но он не состоит из барионы, и с очень высокой точностью известно, что он не излучает и не поглощает радиация. Он может состоять из частиц, которые взаимодействуют через слабое взаимодействие, Такие как нейтрино,^[12] но он не может состоять полностью из трех известных типов нейтрино (хотя некоторые предполагают, что это стерильное нейтрино ). Недавние данные показывают, что темной материи примерно в пять раз больше, чем барионной материи, и, следовательно, в динамике Вселенной в эту эпоху доминирует темная материя.

Темная материя играет решающую роль в формировании структуры, потому что она чувствует только силу гравитации: гравитационное Джинсовая нестабильность который позволяет формировать компактные конструкции, не противодействует никаким силам, таким как радиационное давление. В результате темная материя начинает коллапсировать в сложную сеть из ореолы темной материи задолго до обычной материи, которой препятствуют силы давления. Без темной материи эпоха формирование галактики во Вселенной произойдет значительно позже, чем наблюдается.

Физика образования структур в эту эпоху особенно проста, поскольку возмущения темной материи с разными длины волн развиваться независимо. По мере того, как радиус Хаббла увеличивается в расширяющейся Вселенной, он охватывает все большие и большие возмущения. Во время доминирования материи все причинные возмущения темной материи растут за счет гравитационной кластеризации. Однако более коротковолновые возмущения, которые включаются во время доминирования излучения, имеют замедленный рост до тех пор, пока не будет преобладать материя. На этом этапе ожидается, что светящаяся барионная материя просто будет отражать эволюцию темной материи, и их распределения должны точно отслеживать друг друга.

Этот «линейный спектр мощности» легко вычислить, и как инструмент космологии он имеет сопоставимое значение с космическим микроволновым фоном. Обзоры галактик измерили спектр мощности, такой как Sloan Digital Sky Survey, и по опросам Лайман-α лес. Поскольку в этих исследованиях наблюдается излучение, испускаемое галактиками и квазарами, они не измеряют напрямую темную материю, но ожидается, что крупномасштабное распределение галактик (и линий поглощения в лесу Лаймана-α) будет точно отражать распределение темной материи. . Это зависит от того факта, что галактики будут больше и многочисленнее в более плотных частях Вселенной, тогда как их будет сравнительно мало в разреженных областях.

Нелинейная структура

Когда возмущения достаточно выросли, небольшая область может стать значительно плотнее, чем средняя плотность Вселенной. На этом этапе физика существенно усложняется. Когда отклонения от однородности невелики, темную материю можно рассматривать как жидкость без давления и эволюционировать с помощью очень простых уравнений. В областях, которые значительно плотнее фона, должна быть включена полная ньютоновская теория гравитации. (Теория Ньютона подходит, потому что задействованные массы намного меньше, чем те, которые требуются для образования черная дыра, а скорость гравитации можно игнорировать, поскольку время прохождения света для структуры все еще меньше характерного динамического времени.) Одним из признаков того, что линейные и жидкие приближения становятся недействительными, является то, что темная материя начинает формироваться каустика в котором пересекаются траектории соседних частиц или частицы начинают формировать орбиты. Эту динамику лучше всего понять, используя N-имуляторы тела (хотя множество полуаналитических схем, таких как Формализм Press – Schechter, можно использовать в некоторых случаях). Хотя в принципе эти симуляции довольно просты, на практике их сложно реализовать, поскольку они требуют моделирования миллионов или даже миллиардов частиц. Более того, несмотря на большое количество частиц, каждая частица обычно весит 10⁹ солнечные массы и дискретизация эффекты могут стать значительными. Самая крупная симуляция 2005 года - это Моделирование тысячелетия.^[13]

Результат N- моделирование тела предполагает, что Вселенная состоит в основном из пустоты, плотность которого может составлять всего одну десятую космологического среднего. Материя конденсируется в больших нити и нимбы которые имеют сложную веб-структуру. Эти формы галактика группы, кластеры и сверхскопления. Хотя моделирование, кажется, в целом согласуется с наблюдениями, их интерпретация осложняется пониманием того, как плотные скопления темной материи стимулируют формирование галактик. В частности, образуется гораздо больше маленьких ореолов, чем мы видим в астрономических наблюдениях, поскольку карликовые галактики и шаровые скопления. Это известно как смещение галактики проблема, и было предложено множество объяснений. Большинство объясняют это как эффект сложной физики образования галактик, но некоторые полагают, что это проблема нашей модели. темная материя и что какой-то эффект, например теплая темная материя, предотвращает образование мельчайших ореолов.

Выделение газа

Заключительный этап эволюции наступает, когда барионы конденсируются в центрах гало галактик, образуя галактики, звезды и квазары. Темная материя значительно ускоряет образование плотных ореолов. Поскольку темная материя не имеет радиационного давления, формирование более мелких структур из темной материи невозможно. Это связано с тем, что темная материя не может рассеивать угловой момент, тогда как обычная барионная материя может коллапсировать с образованием плотных объектов, рассеивая угловой момент через радиационное охлаждение. Понимание этих процессов - чрезвычайно сложная вычислительная задача, потому что они могут включать физику гравитации, магнитогидродинамика, атомная физика, ядерные реакции, турбулентность и даже общая теория относительности. В большинстве случаев пока невозможно выполнить моделирование, которое можно было бы количественно сравнить с наблюдениями, и лучшее, что может быть достигнуто, - это приблизительное моделирование, которое иллюстрирует основные качественные особенности процесса, такого как звездообразование.

Формирование структуры моделирования

Снимок компьютерного моделирования формирования крупномасштабной структуры в Лямбда-CDM Вселенная.

Космологические возмущения

Многие трудности и многие споры, связанные с пониманием крупномасштабной структуры Вселенной, могут быть разрешены путем лучшего понимания выбора измерять в общая теория относительности. Посредством скалярно-векторно-тензорное разложение, метрика включает четыре скаляр возмущения, два вектор возмущения, и один тензор возмущение. Существенны только скалярные возмущения: векторы экспоненциально подавлены в ранней Вселенной, а тензорная мода вносит лишь небольшой (но важный) вклад в виде первичной гравитационное излучение и B-моды поляризации космического микроволнового фона. Две из четырех скалярных мод могут быть удалены с помощью физически бессмысленного преобразования координат. Какие режимы исключены, определяют бесконечное число возможных крепления для манометров. Самый популярный датчик - Ньютоновская калибровка (и тесно связанная с ней конформная ньютоновская калибровка), в которой сохраненные скаляры - это ньютоновские потенциалы Φ и Ψ, которые точно соответствуют ньютоновской потенциальной энергии от ньютоновской гравитации. Используются многие другие датчики, в том числе синхронный датчик, который может быть эффективным измерителем для численных расчетов (он используется CMBFAST ). Каждый калибр по-прежнему включает несколько нефизических степеней свободы. Существует так называемый калибровочно-инвариантный формализм, в котором рассматриваются только калибровочно-инвариантные комбинации переменных.

Инфляция и начальные условия

Считается, что начальные условия для Вселенной возникают в результате масштабно-инвариантных квантово-механических флуктуаций космическая инфляция. Возмущение фоновой плотности энергии в заданной точке ${ Displaystyle rho ( mathbf {х}, т)}$ в пространстве тогда задается изотропный, однородный Гауссовское случайное поле из иметь в виду нуль. Это означает, что пространственное преобразование Фурье ${ displaystyle rho}$ – ${ Displaystyle { шляпа { rho}} ( mathbf {k}, т)}$ имеет следующие корреляционные функции

${ Displaystyle langle { шляпа { rho}} ( mathbf {k}, t) { hat { rho}} ( mathbf {k} ', t) rangle = f (k) delta ^ {(3)} ( mathbf {k} - mathbf {k '})}$,

куда ${ displaystyle delta ^ {(3)}}$ это трехмерный Дельта-функция Дирака и ${ Displaystyle к = | mathbf {k} |}$ это длина ${ displaystyle mathbf {k}}$. Более того, спектр, предсказываемый инфляцией, почти масштабный инвариант, что значит

${ Displaystyle langle { шляпа { rho}} ( mathbf {k}, t) { hat { rho}} ( mathbf {k} ', t) rangle = k ^ {n_ {s} -1} delta ^ {(3)} ( mathbf {k} - mathbf {k '})}$,

куда ${ displaystyle n_ {s} -1}$ это небольшое число. Наконец, начальные условия являются адиабатическими или изоэнтропическими, что означает, что дробное возмущение энтропии каждого вида частиц одинаково. Полученные предсказания очень хорошо согласуются с наблюдениями, однако существует концептуальная проблема с физической картиной, представленной выше. Квантовое состояние, из которого извлекаются квантовые флуктуации, на самом деле полностью однородно и изотропно, и поэтому нельзя утверждать, что квантовые флуктуации представляют собой первичные неоднородности и анизотропии. Интерпретация квантовых неопределенностей в значении инфляционного поля (которыми на самом деле являются так называемые квантовые флуктуации), как если бы они были статистическими флуктуациями в гауссовском случайном поле, не следует из применения стандартных правил квантовой теории. Проблема иногда представляется в терминах «квантового перехода к классическому», что сбивает с толку подход к рассматриваемой проблеме, поскольку очень мало физиков, если таковые имеются, будут утверждать, что существует какая-то сущность, которая действительно классика на фундаментальном уровне. Фактически, рассмотрение этих вопросов ставит нас лицом к лицу с так называемым проблема измерения в квантовой теории. Во всяком случае, проблема обостряется в космологическом контексте, поскольку ранняя Вселенная не содержит сущностей, которые можно было бы принять за роль «наблюдателей» или «измерительных приборов», причем оба эти элемента имеют важное значение.^{[сомнительный – обсуждать]} для стандартного использования квантовой механики.^[14]Самая популярная позиция среди космологов в этом отношении - полагаться на аргументы, основанные на декогеренции и некоторой форме "Интерпретация многих миров "квантовой теории. В настоящее время ведутся интенсивные споры о разумности такой позиции. ^[15].^[16]

Смотрите также

Рекомендации