Гравитационная неустойчивость как двигатель формирования структур
Основным физическим механизмом, ответственным за образование структур во Вселенной, является гравитационная неустойчивость. После первичного нуклеосинтеза и последующего излучения реликтового фона, вещество во Вселенной находилось в состоянии почти идеальной однородности с крошечными флуктуациями плотности порядка δρ/ρ ~ 10⁻⁵, обнаруженными в анизотропии космического микроволнового фона. Эти малые возмущения, благодаря притягательной природе гравитационного взаимодействия, со временем росли, перерастая в более крупные неоднородности.
Рост флуктуаций описывается в рамках линейной теории возмущений. В эпоху доминирования излучения рост плотности замедлен из-за давления фотонов, однако после рекомбинации, когда фотоны отделяются от вещества, флуктуации начинают расти быстрее. Уравнение роста плотностных контрастов в линейном приближении имеет вид:
δ̈ + 2Hδ̇ = 4πGρδ,
где δ — контраст плотности, H — параметр Хаббла, G — гравитационная постоянная, ρ — средняя плотность вещества. При этом критическую роль играет тёмная материя, не взаимодействующая с излучением и начавшая коллапсировать задолго до рекомбинации, образуя потенциалы, в которых позднее оседало барионное вещество.
Нелинейная стадия эволюции и формирование гало
По мере роста амплитуды возмущений линейный анализ становится неприменим: δ ~ 1 и более. Структура вступает в нелинейную стадию эволюции. На этом этапе ключевым становится процесс гравитационного коллапса: вещество сжимается под действием собственной гравитации, формируя так называемые гало — связные системы, в которых может происходить дальнейшая конденсация вещества, образование галактик и звёзд.
Наиболее простая модель, описывающая нелинейный коллапс, — модель сферического коллапса. Она предполагает изолированную сферическую область с повышенной плотностью, эволюция которой включает стадии расширения, остановки (точка поворота) и последующего сжатия. При этом плотность в момент остановки расширения примерно в 5.55 раза превышает среднюю плотность Вселенной, а после «вириализации» система достигает равновесия с плотностью примерно в 200 раз выше средней.
Иерархическая модель формирования структур
Современные данные и численные модели поддерживают иерархическую схему формирования: сначала формируются маломасштабные объекты, которые затем объединяются в более крупные структуры. Это следствие спектра начальных флуктуаций, имеющего наклон с избытком мощности на малых масштабах (в модели ΛCDM — спектр Пиблса-Harrison-Zel’dovich: P(k) ∝ kⁿ, где n ≈ 1).
Процесс объединения мелких гало в более массивные известен как иерархическая агрегация. В результате последовательных слияний формируются:
Роль темной материи в образовании структур
Темная материя играет фундаментальную роль в формировании структур. Считается, что именно она составляет до ~85% всей массы вещества во Вселенной и практически полностью определяет гравитационный потенциал, в котором развивается барионная компонента.
Темная материя холодная (CDM — Cold Dark Matter), что означает, что ее частицы имели низкие тепловые скорости во время формирования флуктуаций. Это позволяет сохранять мелкомасштабные возмущения и, соответственно, формировать структуры “снизу вверх”. Альтернативные модели, такие как горячая тёмная материя (HDM) — например, нейтрино — оказываются несостоятельными, так как сглаживают флуктуации на малых масштабах.
Симуляции крупномасштабной структуры
Для изучения образования структур применяются численные N-body симуляции, в которых эволюция миллионов или миллиардов частиц (представляющих тёмную материю) рассчитывается под действием взаимного гравитационного притяжения. Классические примеры:
Эти модели показывают образование филаментной структуры: пустоты (voids), нити (filaments), узлы (nodes), в которых концентрируются скопления галактик. Такая структура удивительно хорошо согласуется с наблюдаемой картиной распределения галактик в обзорах вроде SDSS (Sloan Digital Sky Survey).
Физические масштабы и типы структур
Различают несколько уровней структур:
Влияние темной энергии на рост структур
Темная энергия, составляющая около 70% от общей плотности энергии во Вселенной, оказывает замедляющее влияние на рост структур. С начала ускоренного расширения (~z ≲ 0.7) гравитационное сжатие стало менее эффективным, что замедлило формирование новых крупных структур. Этот эффект отчетливо виден в численных моделях, и наблюдения подтверждают, что рост структур “заморожен” в поздние эпохи космологической эволюции.
Роль барионной физики: охлаждение, звездообразование и обратная связь
Хотя формирование тёмных гало определяет основу структуры, формирование видимых объектов — галактик и звёзд — требует учета барионной физики. Здесь важнейшую роль играют:
Чрезвычайно сложная, нелинейная и масштабозависимая физика барионов делает моделирование галактик более трудным, чем темной материи, что приводит к необходимости калибровки моделей на основе наблюдательных данных.
Наблюдательные подтверждения формирования структур
Распределение галактик в красном смещении, анизотропия космического микроволнового фона, слабое гравитационное линзирование, функции корреляции, функции масс гало, скоплений — всё это эмпирические инструменты, которые позволяют отслеживать процесс образования структур.
Особенно важны байесовские реконструкции плотности Вселенной по данным обзоров галактик и космологического фона. Они подтверждают, что современная крупномасштабная структура — результат роста первоначальных квантовых флуктуаций, зафиксированных в реликтовом излучении.
Образование структур в альтернативных космологиях
Помимо ΛCDM-модели, рассматриваются альтернативные сценарии:
Однако большинство из них либо не соответствуют наблюдаемым данным, либо требуют введения новых, неопределённых параметров, что делает ΛCDM наиболее согласующейся с экспериментом моделью.
Квантовые флуктуации как источник инициализации
Изначальные флуктуации, приведшие к образованию структур, рассматриваются как квантовые флуктуации поля во время инфляции. Эти флуктуации растягиваются до масштабов, превышающих горизонт, и при окончании инфляции «замораживаются» в виде классических возмущений плотности. Их спектр почти масштабно-инвариантен, что подтверждается данными по реликтовому излучению (спектральный индекс nₛ ≈ 0.96).
Таким образом, в основе образования структур лежат глубоко квантовые процессы ранней Вселенной, что объединяет квантовую теорию поля, гравитацию и космологию в единую картину происхождения всей крупномасштабной организации материи.