Формування структур у фізичній космології описує утворення галактик, скупчень галактик та більших структур за допомогою гравітаційних та гідродинамічних процесів, що діють на космологічні неоднорідності. Всесвіт, як зараз відомо зі спостережень реліктового випромінювання, виник у гарячому, щільному, майже однорідному стані приблизно 13,8 мільярда років тому. Однак, дивлячись на нічне небо сьогодні, можна побачити структури всіх масштабів, від зір і планет до галактик. У ще більших масштабах скупчення галактик, філаменти і стіни розділені величезними войдами, що містять мало галактик. Формування структур застосовує моделі гравітаційної нестійкості до невеликих збурень густини для передбачення цих форм.

Сучасна модель Лямбда-CDM успішно передбачає спостережуваний великомасштабний розподіл галактик, скупчень та войдів, але на масштабах окремих галактик виникає багато ускладнень через сильно нелінійні процеси, що включають баріонну фізику, нагрівання та охолодження газу, зореутворення та фідбек від зір. Розуміння процесів формування галактик є важливою темою сучасних космологічних досліджень, як за допомогою спостережень, таких як надглибоке поле Габбла, так і за допомогою великих комп'ютерних симуляцій.

До утворення перших структур

Формування структури почалося через деякий час після рекомбінації, коли ранній Всесвіт достатньо охолонув від розширення, щоб дозволити утворення стабільних атомів водню та гелію . У цей момент випромінюється космічний мікрохвильовий фон (КМФ); багато ретельних вимірювань КМФ надають ключову інформацію про початковий стан Всесвіту до формування структури. Вимірювання підтверджують модель невеликих коливань щільності, критичних зародків для майбутніх структур.

Дуже ранній Всесвіт На цьому етапі певний механізм, такий як космічна інфляція, був відповідальним за встановлення початкових умов Всесвіту: однорідності, ізотропії та площинності. Космічна інфляція також мала посилити незначні квантові флуктуації, що існували до інфляційної фази, перетворивши їх після завершення інфляції на слабкі неоднорідності густини — області з дещо підвищеною або зниженою густиною матерії.

Зростання структури У ранньому Всесвіті домінуючим компонентом було випромінювання. У цей період флуктуації густини, масштаб яких перевищував космічний горизонт, зростали пропорційно масштабному фактору, оскільки флуктуації гравітаційного потенціалу залишалися приблизно сталими. Водночас структури з розмірами, меншими за горизонт, фактично залишалися «замороженими» через домінування випромінювання, яке перешкоджало їхньому подальшому зростанню; цей процес відомий як ефект Месароша. У міру розширення Всесвіту густина енергії випромінювання зменшувалася швидше, ніж густина матерії, оскільки енергія фотонів знижувалася внаслідок космологічного червоного зміщення. Це призвело до переходу, відомого як рівність матерії та випромінювання, який відбувся~ 50 000 років після Великого вибуху. Після цього збурення густини темної матерії отримали можливість вільно зростати під дією гравітації, формуючи потенційні гравітаційні «зародки», у які згодом могли накопичуватися баріонна матерія.Горизонт частинок у цю епоху викликає зміну в спектрі потужності матерії, яку можна виміряти за допомогою великих досліджень червоного зміщення.

Рекомбінація Протягом більшої частини цієї стадії Всесвіт перебував під впливом випромінювання, і через інтенсивне нагрівання та випромінювання первинний водень і гелій були повністю іонізовані в ядра та вільні електрони. У цій гарячій та щільній ситуації випромінювання (фотони) не могло пройти далеко, перш ніж Томсон розсіяв електрон. Всесвіт був дуже гарячим і щільним, але швидко розширювався і тому охолоджувався. Зрештою, трохи менше ніж через 400 000 років після «вибуху», він став достатньо холодним (близько 3000 K), щоб протони захопили негативно заряджені електрони, утворюючи нейтральні атоми водню. (Атоми гелію утворилися дещо раніше через їхню більшу енергію зв'язку). Як тільки майже всі заряджені частинки були зв'язані в нейтральних атомах, фотони більше не взаємодіяли з ними і могли вільно поширюватися протягом наступних 13,8 мільярдів років; наразі ми виявляємо ці фотони, зміщені в червоне поле в 1090 разів до 2,725 K, як космічне мікрохвильове фонове випромінювання (КМФ), яке заповнює сучасний Всесвіт. Кілька визначних космічних місій (COBE, WMAP, Планк) виявили дуже незначні коливання щільності та температури реліктового випромінювання. Ці флуктуації були надзвичайно малими, і реліктове випромінювання має майже однакову температуру в усіх напрямках спостереження. Проте незначні температурні неоднорідності порядку кількох частин на 100 000 мають фундаментальне значення, оскільки вони відображають початкові флуктуації густини матерії. Саме ці первинні неоднорідності стали ранніми «зародками», з яких під дією гравітації згодом сформувалися всі складні великомасштабні структури Всесвіту. Структура темної матерії

Після того, як перша матерія конденсувалася, випромінювання розійшлося, залишивши дещо неоднорідну темну матерію, що піддається гравітаційній взаємодії. Взаємодія зрештою стискає темну матерію в «гало», які потім притягують нормальну або баріонну матерію, головним чином водень. Коли щільність водню збільшується через гравітаційне притягання, зірки запалюються, випромінюючи ультрафіолетове світло, яке повторно іонізує будь-які навколишні атоми. Гравітаційна взаємодія продовжується у формуванні ієрархічних структур: формуються менші гравітаційно пов'язані структури, такі як перші зірки та зоряні скупчення, потім галактики, а потім групи, скупчення та надскупчення галактик.

Лінійна структура

Темна матерія відіграє вирішальну роль у формуванні структур, оскільки вона відчуває лише силу тяжіння: гравітаційна нестійкість Джинса, яка дозволяє формуватися компактним структурам, не зустрічає жодної сили, такої як радіаційний тиск. В результаті темна матерія починає стискатися у складну мережу гало темної матерії набагато раніше, ніж звичайна матерія, чому перешкоджають сили тиску. Без темної матерії епоха формування галактик настала б у Всесвіті значно пізніше, ніж спостерігається.

Фізика формування структур у цю епоху особливо проста, оскільки збурення темної матерії з різними довжинами хвиль еволюціонують незалежно. Зі збільшенням радіуса Габбла в процесі розширення Всесвіту він охоплює дедалі більші за масштабом збурення. У період домінування матерії всі причинно пов’язані збурення темної матерії починають зростати під дією гравітаційної кластеризації. Водночас зростання збурень із меншими довжинами хвиль, які увійшли в горизонт під час епохи домінування випромінювання, залишається пригніченим до переходу до домінування матерії. На цьому етапі передбачається, що світна баріонна матерія переважно відстежує еволюцію темної матерії, а їхні просторові розподіли мають бути тісно пов’язаними між собою.

Цей «лінійний спектр потужності» легко розрахувати, і як інструмент космології він має порівнянне значення з космічним мікрохвильовим фоном. Огляди галактик вимірювали спектр потужності, такі як Слоанівський цифровий огляд неба, та огляди лісу Лаймана-альфа . Оскільки ці дослідження спостерігають випромінювання, що випромінюється галактиками та квазарами, вони безпосередньо не вимірюють темну матерію, але очікується, що великомасштабний розподіл галактик (і ліній поглинання в лісі Лаймана-альфа) точно відображатиме розподіл темної матерії. Це залежить від того факту, що галактики будуть більшими та численнішими в щільніших частинах Всесвіту, тоді як у розріджених областях вони будуть порівняно рідкісними.

Нелінійна структура Коли збурення густини досягають достатньої величини, окремі області Всесвіту можуть стати значно щільнішими порівняно із середньою густиною матерії. На цьому етапі фізичні процеси, що визначають їхню еволюцію, стають значно складнішими. За малих відхилень від однорідного розподілу темну матерію можна наближено описувати як рідину без тиску, еволюція якої визначається відносно простими рівняннями. Однак у регіонах із густиною, що суттєво перевищує фонову, необхідно враховувати повний опис гравітаційної взаємодії у межах ньютонівської теорії гравітації.

Ньютонівська теорія є доречною, оскільки маси, що беруть участь, набагато менші за ті, що необхідні для формування чорної діри, а швидкістю гравітації можна знехтувати, оскільки час проходження світла для структури все ще менший за характерний динамічний час.

Однією з ознак того, що лінійне та рідинне наближення стають недійсними, є те, що темна матерія починає утворювати каустики, в яких траєкторії сусідніх частинок перетинаються, або частинки починають формувати орбіти. Цю динаміку найкраще зрозуміти за допомогою N -частинкового моделювання (хоча в деяких випадках можна використовувати різноманітні напіваналітичні схеми, такі як формалізм Пресса-Шехтера).

Хоча ці симуляції досить прості за принципом, на практиці їх важко реалізувати, оскільки вони вимагають моделювання мільйонів або навіть мільярдів частинок. Більше того, незважаючи на велику кількість частинок, кожна частинка зазвичай важить 109 сонячних мас, і ефекти дискретизації можуть стати значними. Найбільшим таким моделюванням станом на 2005 рік було моделювання Міленіум.

Результати моделювання N-тіл свідчать про те, що Всесвіт складається переважно з пустот, щільність яких може становити лише одну десяту від середньої космологічної. Матерія конденсується у великі нитки та гало, які мають складну павутиноподібну структуру. Вони утворюють групи галактик, скупчення та надскупчення. Хоча моделювання, здається, загалом узгоджуються зі спостереженнями, їх інтерпретація ускладнюється розумінням того, як щільні скупчення темної матерії стимулюють формування галактик. Еволюція газу

Завершальний етап еволюції структури Всесвіту настає тоді, коли баріонна матерія конденсується в центрах гравітаційних ореолів темної матерії, утворюючи галактики, зорі та квазари. Оскільки темна матерія не взаємодіє електромагнітно, вона не здатна ефективно втрачати енергію та кутовий момент, що обмежує можливість формування з неї компактних структур меншого масштабу. Це пов’язано з тим, що темна матерія не може розсіювати кутовий момент, тоді як звичайна баріонна матерія здатна стискатися під дією гравітації, втрачаючи кутовий момент через процеси радіаційного охолодження. У результаті баріони можуть формувати щільні об’єкти, такі як зорі та галактики, тоді як темна матерія переважно утворює великомасштабні гравітаційні ореоли, у яких ці структури виникають.

Розуміння цих процесів є надзвичайно складною обчислювальною проблемою, оскільки вони можуть включати фізику гравітації, магнітогідродинаміку, атомну фізику, ядерні реакції, турбулентність і навіть загальну теорію відносності. У більшості випадків поки що неможливо виконати моделювання, яке можна кількісно порівняти зі спостереженнями, і найкраще, чого можна досягти, - це наближене моделювання, яке ілюструє основні якісні особливості такого процесу, як зореутворення. Моделювання формування структур

Космологічні пертрубації