Формирование структуры
| Космология |
 |
| Изучаемые объекты и процессы |
| Наблюдаемые процессы |
| Теоретические изыскания |
| Родственные темы |
Формирование структуры относится к фундаментальной проблеме в физической космологии. Вселенная, как теперь известен от наблюдений космического микроволнового фонового излучения, началась в горячем, плотный, почти униформа заявляет приблизительно 13.7 миллиардов лет назад. Однако, смотря в небе сегодня, мы видим структуры во всех весах, от звезд и планет к галактикам и, в намного больших весах все еще, группах галактики, и огромных пустотах между галактиками. Как все это появлялось от почти однородной ранней вселенной? [1] [2] [3] [4]
Связанные разделы Астрофизика Общая относительность Физика элементарных частиц
Краткий обзор[]
Формирование структуры переходит в следующих стадиях(сценах):
Очень ранняя вселенная В этой стадии(сцене), некотором механизме, типа космической инфляции ответственна чтобы установить начальные условия вселенной: однородность, изотропия и плоскостность. [2] [5] Исконная плазма, Которой вселенная является во власти радиации для большинства этой стадии, и из-за свободно текущих структур, не может быть усилена гравитационно. Тем не менее, важное развитие имеет место, типа большого взрыва nucleosynthesis создает исконные элементы, и космический микроволновый фон испускается. Детальная структура анизотропии космического микроволнового фона также создана в этой эпохе. [1] Линейный рост структуры Однажды вопрос, в специфическом холодном темном вопросе, доминирует, гравитационный коллапс вселенной может начать усиливать крошечную неоднородность, оставленную космической инфляцией, заставляя вопрос упасть к плотным областям(регионам) и делая разрежаемые более разрежаемые области. В этой эпохе, неоднородность плотности описана простым линейным дифференциальным уравнением. [3] [6] Нелинейный рост структуры Как плотные области становился более плотным, линейное приближение, описывающее неоднородность плотности начинает ломаться – смежные частицы могут даже начать пересекаться в каустике – и более детальная обработка(лечение), используя полную ньютоновую теорию серьезности, становится необходимой. (Кроме второстепенного расширения вселенной, которая происходит из-за общей относительности, развитие на них сравнительно, мелкие масштабы обычно хорошо приближаются в соответствии с ньютоновой теорией.) Это - то, где структуры, типа групп галактики и ореолов галактики начинают формироваться. Однако, в этом режиме только гравитационные силы существенны, потому что темный вопрос, который, как думают, имеет очень слабые взаимодействия, является доминирующим игроком. [7] Развитие "Gastrophysical", Которое заключительный шаг развития - то, когда электромагнитные силы становятся важными в развитии структуры, где группы вопроса baryonic плотно, как в галактиках и звездах. В некоторых случаях, типа активных галактических ядер и квазаров, ньютоновы работы теории плохо и общая относительность становится существенным. Это называют "gastrophysical" из-за его сложности: много различных(других), сложных эффектов, включая серьезность, magnetohydrodynamics и ядерные реакции должны быть приняты во внимание. [7] Последние три стадии развития происходят(встречаются) в разное время в зависимости от масштаба. Наибольшие весы во вселенной все еще хорошо-приближаются в соответствии с линейной теорией, тогда как группы галактики и супергруппы нелинейны, и много явлений в местной галактике должны быть оформлены большим количеством подхода nuanced, составляя(объясняя) все силы. Это - то, что называют иерархическим формированием структуры: наименьшие гравитационно связанные структуры – квазары и галактики – формируются сначала, сопровождаемый группами, группами и супергруппами галактик. Думается, что, из-за присутствия темной энергии в нашей вселенной, никакие большие структуры не будут в состоянии сформироваться.
Очень ранняя вселенная[]
Очень ранняя вселенная - все еще плохо-понятая эпоха, с точки зрения фундаментальной физики. Преобладающая теория, космическая инфляция, делает хорошую работу, объясняя наблюдаемую(соблюденную) плоскостность, однородность и изотропию вселенной, так же как отсутствия экзотических частиц пережитка(остатка) (, типа магнитных монополей). Кроме того, это сделало критическое предсказание, которое было подтверждено наблюдением: то, что исконная вселенная имела бы крошечные волнения, которые отбирают формирование структуры в более поздней вселенной. Эти колебания, в то время как они формируют фонд(основу) для всей структуры во вселенной, появляются наиболее ясно как крошечные температурные колебания в одной части в 100 000. (Чтобы поместить это в перспективу, тот же самый уровень колебаний на топографической карте Соединенных Штатов не показал бы никакой особенности выше чем несколько метров высоко.) Эти колебания являются критическими, потому что они обеспечивают семена, из которых наибольшие структуры в пределах вселенной могут расти и в конечном счете разрушаться, чтобы сформировать галактики и звезды. COBE (Космический Второстепенный Исследователь) обеспечил первое обнаружение свойственных колебаний в космическом микроволновом фоновом излучении в 1990-ых.
Эти волнения, как думают, имеют очень определенный характер(знак): они формируют Гауссовскую случайную область(поле), функция ковариации которой является диагональной и почти инвариант масштаба. Наблюдаемые(соблюденные) колебания, кажется, имеют точно эту форму, и кроме того спектральный индекс, измеренный WMAP – спектральный индекс измеряет отклонение от инварианта масштаба (или Харрисон-Zel'dovich), спектр – является очень почти ценностью, предсказанной самыми простыми и самыми здравыми моделями инфляции. Другая важная собственность исконных волнений, что они являются адиабатными (или isentropic между различными видами вопроса, которые составляют вселенную), предсказана космической инфляцией и была подтверждена наблюдениями.
Другие теории очень ранней вселенной, которые, как утверждают, сделают очень подобные предсказания, были предложены, типа brane газовой космологии, циклической модели, модели предбольшого взрыва и голографической вселенной, но они остаются в их nacency и как широко не приняты. Некоторые теории, типа космических верениц(нитей) были в значительной степени фальсифицированы все более и более точными данными.
Проблема горизонта[]
Физический размер радиуса Бульканья(Кочки) (твердая линия) как функция фактора масштаба вселенной. Физическую длину волны способа волнения (разбитая линия) показывают также. Заговор(участок) иллюстрирует, как способ волнения выходит из горизонта в течение космической инфляции, чтобы вернуться в течение лучевого доминирования. Если бы космическая инфляция никогда не случалась, и лучевое доминирование продолжалось назад до гравитационной особенности, то способ никогда не выходил бы из горизонта в очень ранней вселенной.Чрезвычайно важное понятие(концепция) в теории формирования структуры - понятие радиуса Бульканья(Кочки), часто называемого(вызываемого) просто горизонт, поскольку это близко связано с горизонтом частицы. Радиус Бульканья(Кочки), который связан с параметром Бульканья(Кочки) H как R = c / H, где c - скорость света, определяет, примерно(грубо) разговор, объем(том) соседней вселенной, которая имеет недавно (в прошлый раз расширения) в причинном контакте с наблюдателем(обозревателем). Так как вселенная непрерывно(все время) расширяется, ее плотность энергии непрерывно(все время) уменьшается (в отсутствии действительно экзотического вопроса, типа энергии фантома). Уравнение Friedmann связывает плотность энергии вселенной к параметру Бульканья(Кочки), и показывает, что радиус Бульканья(Кочки) непрерывно(все время) увеличивается.
Проблема горизонта космологии большого взрыва говорит, что, без инфляции, волнения никогда не были в причинном контакте прежде, чем они вошли в горизонт и таким образом однородность и изотропия, например, крупномасштабные распределения галактики нельзя объяснить. Это - то, потому что, в обычной космологии Friedmann-Robertson-Walker, увеличения радиуса Бульканья(Кочки) более быстро чем место(космос) расширяются, таким образом волнения только когда-либо входят в радиус Бульканья(Кочки), и они не выставляются расширением места(космоса). Этот парадокс решен космической инфляцией, которая предлагает, что была фаза очень быстрого расширения в ранней вселенной, в которой радиус Бульканья(Кочки) был очень почти постоянен(неизменен). Таким образом, крупномасштабная изотропия, которую мы видим сегодня, происходит из-за квантовых колебаний, произведенных в течение космической инфляции, выдвигаемой вне горизонта.
Исконная плазма[]
Конец инфляции называют(вызывают), повторно нагреваясь, когда inflaton частицы распадаются(приходят в упадок) в горячую, тепловую плазму других частиц. В этой эпохе, содержание энергии вселенной - полностью радиация, со стандартными образцовыми частицами, имеющими релятивистские скорости. Поскольку плазма охлаждается, baryogenesis, и leptogenesis, как думают, происходят(встречаются), поскольку плазма глюона кварка охлаждается, electroweak ломка(нарушение) симметрии происходит(встречается), и вселенная становится преимущественно составленной из обычных протонов, нейтронов и электронов. Поскольку вселенная охлаждается далее, большой взрыв nucleosynthesis происходит(встречается) и маленькие количества дейтерия, гелий и литиевые ядра созданы. Поскольку вселенная охлаждается и расширяется, энергия в фотонах начинается к красному смещению далеко, частицы становятся нерелятивистскими, и обычный вопрос начинает доминировать над вселенной. В конечном счете, атомы начинают формироваться, поскольку свободные электроны связывают(обязывают) с ядрами. Это подавляет рассеивание Compton фотонов. Объединенный с разреженностью вселенной (и последовательное увеличение средней(скупой) свободной дорожки фотонов), это делает вселенную прозрачной, и космический микроволновый фон испускается в перекомбинации (поверхность последнего рассеивания).
Акустические колебания[]
Амплитуда структур не растет существенно в течение этой эпохи. Для темного вопроса расширение места(космоса) (который вызван большим лучевым компонентом) настолько быстро, что рост высоко(чрезвычайно) подавлен для нерелятивистских темных частиц вопроса. Кроме того, потому что темный вопрос - pressureless, свободное вытекание предотвращает рост маленьких структур. В релятивистской жидкости, с другой стороны, очень большое давление предотвращает рост структур, больших чем длина Джинсов, которая является очень почти равной радиусу Бульканья(Кочки) для радиации. Это заставляет волнения быть заглушенными.
Эти волнения все еще очень важны, однако, поскольку они ответственны за тонкую физику, которые приводят к космической микроволновой второстепенной анизотропии. В этой эпохе, амплитуда волнений, которые входят в горизонт, колеблется синусоидально, с плотными областями(регионами), становящимися более разрежаемой и затем становящийся плотной снова, с частотой, которая связана с размером волнения. Если волнение колеблется составное или полусоставное количество раз между входом в горизонт и перекомбинацию, это появляется как акустический пик космической микроволновой второстепенной анизотропии. (Полуколебание, в котором плотная область(регион) становится разрежаемой областью(регионом) или наоборот, появляется как пик, потому что анизотропия показана как спектр власти(мощи), таким образом underdensities вносят свой вклад во власть(мощь) столько же, сколько сверхудельные веса.) Физика, которая определяет детальную пиковую структуру микроволнового фона, усложнена, но эти колебания обеспечивают сущность. [8] [9] [10] [11] [12]
Линейная структура[]
Два развития двух волнений к ΛCDM гомогенной модели большого взрыва. Между входом в горизонт и разъединение, темное волнение вопроса (разбитая линия) выращивает logarithmically, прежде, чем рост ускоряется в доминировании вопроса. С другой стороны, между входом в горизонт и разъединение, волнение в жидкости фотона бариона (твердая линия) колеблется быстро. После разъединения, выращивает быстро соответствовать доминирующему волнению вопроса, темному способу вопроса.Одна из ключевой реализации, сделанной космологами в 1970-ых и 1980-ых была то, что большинство содержания вопроса вселенной было составлено не атомов, а скорее таинственной формы вопроса, известного как темный вопрос. Темный вопрос взаимодействует через силу серьезности, но это не составлено из барионов, и это известно с очень высокой точностью, что это не испускает или поглощает радиацию. Это может быть составлено из частиц, которые взаимодействуют через слабое взаимодействие, типа neutrinos, но это не может быть составлено полностью трех известных видов neutrinos (хотя некоторые предложили, чтобы это было бесплодное нейтрино). Недавнее свидетельство(очевидность) предлагает, что есть приблизительно пять раз так много темного вопроса как baryonic вопрос, и таким образом движущие силы вселенной в этой эпохе - во власти темного вопроса.
Темный вопрос играет ключевую роль в формировании структуры, потому что это чувствует только силу серьезности: гравитационная неустойчивость Джинсов, которая позволяет компактным структурам формироваться, не отклонена никакой силой, типа лучевого давления. В результате темный вопрос начинает разрушаться в сложную сеть темного вопроса halos задолго до обычного вопроса, которому препятствуют силы давления. Без темного вопроса, эпоха формирования галактики произошла(встретилась) бы существенно позже во вселенной чем, соблюден.
Физика формирования структуры в этой эпохе особенно проста, поскольку темные волнения вопроса с различными(другими) длинами волны развиваются независимо. Поскольку радиус Бульканья(Кочки) растет в расширяющейся вселенной, это охватывает большие и большие волнения. В течение доминирования вопроса, все причинные темные волнения вопроса растут через гравитационное объединение в кластеры. Однако, волнениям более короткой длины волны, которые охвачены в течение лучевого доминирования, задержали их рост до доминирования вопроса. На данном этапе, люминесцентный, baryonic вопрос, как ожидают, просто отразит развитие темного вопроса, и их распределения должны близко проследить друг друга.
Это - простой вопрос, чтобы вычислить этот "линейный спектр власти(мощи)" и, как инструмент для космологии, это имеет сопоставимое значение к космическому микроволновому фону. Спектр власти(мощи) был измерен обзорами галактики, типа Цифрового Обзора Неба Sloan, и обзорами Lyman-α лес. Так как эти обзоры наблюдают(соблюдают) радиацию, испускаемую от галактик и квазаров, они непосредственно не измеряют темный вопрос, но крупномасштабное распределение галактик (и поглотительных линий в Lyman-α лес), как ожидают, близко отразит распределение темного вопроса. Это зависит от факта, что галактики будут большими и более многочисленными в более плотных частях вселенной, тогда как они будут сравнительно недостаточны в разрежаемых областях(регионах).
Нелинейная структура[]
Когда волнения росли достаточно, маленькая область(регион) могла бы стать существенно более плотной что средняя(скупая) плотность вселенной. В этом пункте(точке), вовлеченная физика становится существенно более сложной. Когда отклонения от однородности являются маленькими, темный вопрос можно рассмотреть как pressureless жидкость и развивается очень простыми уравнениями. В областях(регионах), которые значительно более плотны чем фон, должна быть включена полная ньютонова теория серьезности. (Ньютонова теория является соответствующей, потому что вовлеченные массы - намного меньше чем требуемые сформировать черную дыру, и скорость серьезности может игнорироваться, поскольку пересекающее свет время для структуры все еще меньше чем характерное динамическое время.) Один признак(подпись), что линейные и жидкие приближения инвалид, которым становятся, - то, что темный вопрос начинает формировать каустик, в котором траектории смежного креста(пересечения) частиц, или частиц начинают формировать орбиты. Эти движущие силы вообще лучше всего понимаются, используя моделирования N-тела (хотя разнообразие полуаналитических схем, типа формализма Прессы(Пресса)-Schechter, может использоваться в некотором случае). В то время как в принципе эти моделирования весьма просты, практически они очень трудны осуществить, поскольку они требуют миллионов моделирования или даже миллиарды частиц. Кроме того, несмотря на большое количество частиц, каждая частица типично весит 109 солнечных масс, и эффекты дискретизации могут стать существенными. Наибольшее такое моделирование - недавнее моделирование Тысячелетия. [13]
Результат моделирований N-тела предлагает, что вселенная составлена в значительной степени пустот, удельные веса которых могли бы быть столь же низки как одна десятая космологическое среднее(скупое). Вопрос уплотняет в больших нитях и ореолах, которые имеют запутанную подобную сети(ткани) структуру. Эти группы галактики формы, группы и супергруппы. В то время как моделирования, кажется, соглашаются широко с наблюдениями, их интерпретация усложнена пониманием того, как плотные накопления темного вопроса поощряют формирование галактики. В частности много более маленьких форм ореолов чем мы видим в астрономических наблюдениях как карликовые галактики и шаровидные группы. Это известно как проблема уклона(предубеждения) галактики, и разнообразие объяснений было предложено. Большинство счета на это как эффект в сложной физике формирования галактики, но некоторые предложили, что это - проблема с нашей моделью темного вопроса и что некоторый эффект, типа теплого темного вопроса, предотвращает формирование наименьших ореолов.
Развитие astrophysical[]
Заключительная стадия(сцена) в развитии прибывает, когда барионы уплотняют в центрах ореолов галактики, чтобы сформировать галактики, звезды и квазары. Парадоксальный аспект формирования структуры - то, что, в то время как темный вопрос очень ускоряет формирование плотных ореолов, потому что темный вопрос не имеет лучевого давления, формирование меньших структур от темного вопроса является невозможным, потому что темный вопрос не может рассеять угловой момент, тогда как обычный вопрос baryonic может разрушиться, чтобы сформировать плотные объекты(цели), рассеивая угловой момент через излучающее охлаждение. Понимание этих процессов - чрезвычайно трудная вычислительная проблема, потому что они могут вовлечь физику серьезности, magnetohydrodynamics, атомной физики, ядерных реакций, бури и даже общей относительности. В большинстве случаев, еще не возможно выполнить моделирования, которые могут быть сравнены количественно с наблюдениями, и лучшее, которое может быть достигнуто, - приблизительные моделирования, которые иллюстрируют главные качественные особенности процесса, типа формирования звезды.
См. также: формирование галактики и развитие и звездное развитие
Формирование структуры Моделирования[]
Космологические волнения[]
Главная статья : космологическая теория волнения Большая часть трудности, и многих из споров, в понимании крупномасштабной структуры вселенной может быть решена, понимая выбор шаблона в общей относительности лучше. Разложением скалярного векторного тензора, метрическое включает четыре скалярных волнения, два векторных волнения, и одно волнение тензора. Только скалярные волнения существенны: векторы по экспоненте подавлены в ранней вселенной, и способ тензора делает только маленькое (но важный) вкладом в форме исконной гравитационной радиации и B-способов космической микроволновой второстепенной поляризации. Два из четырех скалярных способов могут быть удалены физически бессмысленным преобразованием координаты. Какие способы устранены, определяют бесконечное число(номер) возможных установок шаблона. Самый популярный шаблон - ньютонов шаблон (и близко связанный конформный ньютонов шаблон), в котором сохраненные скаляры являются ньютоновыми потенциалами Φ и Ψ, которые соответствуют точно ньютоновой потенциальной энергии от ньютоновой серьезности. Много других шаблонов используются, включая синхронный шаблон, который может быть эффективным шаблоном для числового вычисления (это используется CMBFAST). Каждый шаблон все еще включает некоторые нефизические степени(градусы) свободы. Есть так называемый инвариантный шаблоном формализм, в котором только измеряют инвариантные комбинации переменных, рассматриваются.
Инфляция[]
Начальные условия для вселенной, как думают, являются результатом кванта инварианта масштаба механические колебания космической инфляции. Волнение второстепенной плотности энергии в данном пункте(точке) в месте(космосе) тогда дается изотропической, гомогенной Гауссовской случайной областью(полем) среднего(скупого) ноля. Это означает, что пространственные Fourier преобразовывают из ρ – имеет следующие функции корреляции
, где δ (3) - трехмерная функция дельты Dirac и - длина . Кроме того, спектр, предсказанный инфляцией - почти инвариант масштаба, что означает
, где не уточнено − 1 - маленькое число(номер). Наконец, начальные условия являются адиабатными или isentropic, что означает, что фракционное волнение в энтропии каждой разновидности частицы равно.
Ссылки[]
^ b Dodelson, Скотт (2003). Современная Космология. Академическое издание. ISBN 0-12-219141-2. ^ b Liddle, Эндрю; Дэвид Лит (2000). Космологическая Инфляция и Крупномасштабная Структура. Кембридж. ISBN 0-521-57593-2. ^ b Padmanabhan, T. (1993). Формирование структуры во вселенной. Кембриджская Пресса(Пресс) Университета. ISBN 0-521-42486-0. ^ Пиблс, P. J. E. (1980). Крупномасштабная Структура Вселенной. Пресса(Пресс) Университета Принстона. ISBN 0-691-08240-5. ^ Kolb, Эдвард; Майкл Тернер (1988). Ранняя Вселенная. Addison-Уэсли. ISBN 0-201-11604-9. ^ Уэйн Ху и Скотт Доделсон (2002). "Космические микроволновые второстепенные анизотропии". Энн. Астрон Преподобного. Astrophys. 40: 171–216. ^ b Эдмунд Берчинджер (1998). "Моделирования формирования структуры во вселенной". Ежегодный Обзор Астрономии и Астрофизики 36: 599–654. ^ E. R. Харрисон, "Колебания в пороге классической космологии," Физика. Преподобный Д1 (1970), 2726. ^ P. J. E. Пиблс и J. T. Yu, "Первобытное адиабатное волнение в расширяющейся вселенной," Астрофизический Журнал 162 (1970), 815. ^ Ya. B. Zel'dovich, "гипотеза, объединяя структуру и энтропию вселенной," Ежемесячно Уведомления(Внимание) о Королевском Астрономическом Обществе 160 (1972). ^ R. A. Sunyaev, "Колебания микроволнового фонового излучения," в Крупномасштабной Структуре редактора Вселенной. М. S. Longair и J. Einasto, 393. Дордрехт: Reidel 1978. ^ U. Seljak и М. Zaldarriaga (1996). "Подход интеграции луча обзора к космическим микроволновым второстепенным анизотропиям". Астрофизика J. 469: 437–444. ^ [1]
- Страница 0 - краткая статья
- Страница 1 - энциклопедическая статья
- Разное - на страницах: 2 , 3 , 4 , 5
- Прошу вносить вашу информацию в «Формирование структуры 1», чтобы сохранить ее