Формирование крупномасштабной структуры (КМC) Вселенной — это процесс, охватывающий эволюцию материи от начальных квантовых флуктуаций до образования галактик, скоплений галактик и сверхскоплений. Центральным понятием здесь является переход от практически однородной материи ранней Вселенной к сложной иерархической структуре, наблюдаемой сегодня.
Ранняя Вселенная после Большого взрыва характеризовалась чрезвычайно высокой температурой и плотностью. В эпоху космологической инфляции микроскопические квантовые флуктуации метрики пространства-времени были растянуты до макроскопических масштабов. Эти флуктуации стали начальными неоднородностями плотности, которые затем эволюционировали под действием гравитации.
Ключевой момент: инфляция обеспечивает почти однородное распределение энергии, одновременно создавая малые, но критически важные неоднородности, которые послужат «зерном» будущих структур.
После окончания инфляции и охлаждения Вселенной, когда давление фотонов стало недостаточным для противодействия гравитационному сжатию, началась линейная стадия роста плотностных возмущений. В рамках линейной теории:
$$ \delta(\vec{x},t) = \frac{\rho(\vec{x},t) - \bar{\rho}(t)}{\bar{\rho}(t)} $$
где δ ≪ 1, рост возмущений подчиняется уравнению:
$$ \ddot{\delta} + 2 H \dot{\delta} - 4 \pi G \bar{\rho} \delta = 0, $$
где H — параметр Хаббла, ρ̄ — средняя плотность вещества, G — гравитационная постоянная. В период доминирования вещества решение растет примерно пропорционально масштабу Вселенной a(t).
Ключевой момент: линейная стадия ограничена малыми возмущениями (δ ≪ 1) и позволяет прогнозировать статистические свойства будущих структур, используя спектр плотностных флуктуаций P(k).
Начальные флуктуации характеризуются спектром мощности, обычно предполагаемым близким к гармоническому спектру Хинтона-Зельдовича:
P(k) ∝ kn, n ≈ 1,
что соответствует почти одинаковой мощности возмущений на всех масштабах. Мелкомасштабные флуктуации растут быстрее в ранней Вселенной, формируя сначала галактики, затем более крупные структуры.
Когда возмущения становятся нелинейными (δ ∼ 1), линейная теория перестает работать. Начинается неразрывная стадия формирования структуры, включающая:
Ключевой момент: крупномасштабная структура проявляет иерархический рост, начиная с мелких скоплений до огромных сверхскоплений, формируя сложную сетчатую геометрию.
Барионная материя после рекомбинации взаимодействует через гравитацию, гидродинамику и охлаждение. Основные процессы включают:
Ключевой инструмент исследования формирования КМC — численные симуляции, такие как Millennium Simulation и Illustris. Они решают уравнения гравитации N-тел и гидродинамики, учитывая роль темной материи и барионов. Результаты подтверждаются наблюдениями:
Ключевой момент: современная теория КМC согласуется с ΛCDM-моделью, в которой темная энергия (Λ) ускоряет расширение Вселенной, влияя на скорость формирования структур.
Для описания крупномасштабной структуры применяются:
Эти характеристики позволяют напрямую сравнивать теоретические модели с данными наблюдений.
Темная энергия подавляет рост возмущений на поздних этапах, уменьшая образование крупных скоплений. Это объясняет существование вселенской пустоты и стабилизацию сетевой структуры на больших масштабах.
Ключевой момент: влияние Λ проявляется на масштабах свыше 100 Мпк, где ускоренное расширение препятствует объединению структур.