Gravitacinis telkimasis ir tankio fluktuacijos

Gravitacinis telkimasis ir tankio fluktuacijos

Kaip menki tankio kontrastai augo veikiant gravitacijai, sudarydami sąlygas žvaigždėms, galaktikoms ir spiečiams atsirasti

Nuo Didžiojo sprogimo laikų Visata iš beveik visiškai vientisos būsenos virto kosmine žvaigždžių, galaktikų ir milžiniškų, gravitacijos surištų spiečių mozaika. Tačiau visos šios stambios struktūros išaugo iš mažų tankio svyravimų — iš pradžių labai menkų materijos tankio netolygumų, ilgainiui sustiprintų gravitacinės nestabilumo. Šiame straipsnyje gilinsimės į tai, kaip šie nežymūs nehomogeniškumai atsirado, kaip jie kito ir kodėl jie yra itin svarbūs norint suprasti turtingą ir įvairų stambiųjų Visatos struktūrų formavimąsi.

1. Tankio fluktuacijų kilmė

1.1 Infliacija ir kvantinės sėklos

Viena pagrindinių ankstyvosios Visatos teorijų – kosminė infliacija – teigia, kad akimirksniu po Didžiojo sprogimo Visata išgyveno itin spartų eksponentinį plėtimąsi. Infliacijos metu kvantinės fluktuacijos infliatono lauke (lauke, sukeliančiame infliaciją) buvo ištemptos iki kosminių mastelių. Šie menki energijos tankio nuokrypiai „užšalo“ erdvėlaikyje, tapdami pirminėmis sėklomis visai vėlesnei struktūrai.

  • Mastelio nepaklūstamumas (scale invariance): Infliacija numato, kad šios tankio fluktuacijos beveik nepaklūsta masteliui, t. y. amplitudė apytikriai vienoda plačiame ilgių intervale.
  • Gausiškumas (Gaussianity): Stebėjimai rodo, kad pirminės fluktuacijos daugiausia buvo gausiškos, nurodant, kad nėra stipraus „grupavimosi“ ar asimetrijos šių fluktuacijų pasiskirstyme.

Infliacijai pasibaigus, šios kvantinės fluktuacijos veiksmingai virto klasikinėmis tankio perturbacijomis, išsibarstė visoje Visatoje ir tapo pagrindu galaktikų, spiečių bei superspiečių formavimuisi po milijonų ir milijardų metų.

1.2 Kosminio mikrobangų fono (KMF) įrodymai

Kosminis mikrobangų fonas mums pateikia vaizdą apie Visatą maždaug 380 tūkst. metų po Didžiojo sprogimo — kai laisvieji elektronai ir protonai susijungė (rekombinacija), o fotonai galėjo laisvai sklisti. Išsamūs COBE, WMAP ir Planck matavimai parodė temperatūros fluktuacijas, kurių lygis siekia tik vieną dalį iš 105. Šie temperatūros svyravimai atspindi pirminius tankio kontrastus pradiniame plazmos periode.

Pagrindinė išvada: Šių fluktuacijų amplitudė ir kampinis galios spektras puikiai dera su infliacinių modelių ir Visatos, kurioje dominuoja tamsioji materija ir tamsioji energija, prognozėmis [1,2,3].

2. Tankio fluktuacijų augimas

2.1 Linijinės perturbacijos teorija

Po infliacijos ir rekombinacijos tankio fluktuacijos buvo pakankamai mažos (δρ/ρ « 1), kad jas būtų galima tirti linijinių perturbacijų teorijos metodais plečiasi Visatoje. Du esminiai veiksniai lėmė šių fluktuacijų raidą:

  • Materijos ir spinduliuotės dominavimas: Spinduliuotės dominavimo epochomis (ankstyvojoje Visatoje) fotonų slėgis priešinosi materijos telkimusi, ribodamas perteklių augimą. Po perėjimo į materijos dominavimą (kelios dešimtys tūkstančių metų po Didžiojo sprogimo) materijos fluktuacijos galėjo augti sparčiau.
  • Tamsioji materija: Skirtingai nei fotonai ar reliatyvistinės dalelės, šaltoji tamsioji materija (ŠTM) nejunta tokio pat spinduliuotės slėgio; ji gali pradėti griūti anksčiau ir veiksmingiau. Taip tamsioji materija sukuria „karkasą“, kuriuo vėliau seka barioninė (įprastoji) materija.

2.2 Perėjimas prie nelinijinio režimo

Fluktuacijoms stiprėjant, tankesnės sritys dar labiau tankėja, kol galiausiai išeina iš linijinio augimo srities ir patiria nelinijinį kolapsą. Nelinijiniame režime gravitacinė trauka tampa svarbesnė nei linijinės teorijos prielaidos:

  • Halų formavimasis: Nedidelės tamsiosios materijos sankaupos kolapsuoja į „halus“, kuriuose vėliau barionai vėsta ir formuoja žvaigždes.
  • Hierarchinis jungimasis: Daugelyje kosmologinių modelių (ypač ΛCDM) struktūros formuojasi iš apačios į viršų: iš pradžių susidaro mažesnės, jos jungiasi sudarydamos didesnes — galaktikas, grupes ir spiečius.

Nelinijiniam evoliucionavimui dažnai pasitelkiamos N-kūnų simuliacijos (pvz., Millennium, Illustris, EAGLE), kuriose seka milijonų ar milijardų tamsiosios materijos „dalelių“ gravitacinę sąveiką [4]. Šiose simuliacijose išryškėja gijinės struktūros, vadinamos kosminiu tinklu.

3. Tamsiosios materijos ir barioninės materijos vaidmenys

3.1 Tamsioji materija – gravitacinis karkasas

Daugybė įrodymų (sukimosi kreivės, gravitacinis lęšiavimas, kosminiai greičio laukai) rodo, kad didžiąją Visatos materijos dalį sudaro tamsioji materija, kuri neveikia elektromagnetiškai, bet turi gravitacinę įtaką [5]. Kadangi tamsioji materija veikia kaip „be susidūrimų“ ir jau anksti buvo „šalta“ (ne reliatyvistinė):

  • Efektyvus telkimasis: Tamsioji materija telkiasi veiksmingiau nei karšta ar šilta, o tai leidžia formuotis struktūroms smulkesniais mastais.
  • Halų karkasas: Tamsiosios materijos sankaupos tampa gravitaciniais šuliniais, į kuriuos vėliau pritraukiama barioninė materija (dujos ir dulkės), ten atvėsta ir formuoja žvaigždes bei galaktikas.

3.2 Barioninė fizika

Kai dujos patenka į tamsiosios materijos halus, prasideda kiti procesai:

  • Radiatyvus vėsimas: Dujos spinduliuodamos praranda energiją (pvz., atomo emisija), todėl gali toliau trauktis.
  • Žvaigždėdara: Didėjant tankiui, tankiausiose srityse formuojasi žvaigždės, apšviesdamos protogalaktikas.
  • Grįžtamasis ryšys: Energija iš supernovų, žvaigždžių vėjų ir aktyvių branduolių gali šildyti ir išstumti dujas, reguliuodama būsimas žvaigždėdaros fazes.

4. Hierarchinis stambiųjų struktūrų formavimasis

4.1 Nuo mažų užuomazgų iki masyvių spiečių

Plačiai taikomas ΛCDM modelis (Lambda Cold Dark Matter) aiškina, kaip struktūros formuojasi „iš apačios į viršų“. Ankstyvieji nedideli halai ilgainiui susilieja, sudarydami masyvesnes sistemas:

  • Nykštukinės galaktikos: Vieni iš ankstyvųjų žvaigždėdaros objektų, vėliau susijungę į stambesnes galaktikas.
  • Pieno Tako tipo galaktikos: Susiformavo, kai susijungė daugybė mažesniųjų sub-halus.
  • Galaktikų spiečiai: Spiečiai, kuriuos sudaro šimtai ar tūkstančiai galaktikų, užgimę sujungiant grupių lygio halus.

4.2 Stebėjimo patvirtinimas

Astronomai, stebėdami susijungiančius spiečius (pvz., Kulkos spiečių, 1E 0657–558) ir stambiųjų apklausų duomenis (pvz., SDSS, DESI), kurie fiksuoja milijonus galaktikų, patvirtina teorijų prognozuojamą kosminį tinklą. Per kosminį laiką galaktikos ir spiečiai augo kartu su Visatos plėtimusi, palikdami šiandien matomame materijos pasiskirstyme savo pėdsakus.

5. Tankio fluktuacijų charakterizavimas

5.1 Galios spektras

Vienas pagrindinių kosmologijos įrankių yra materijos galios spektras P(k), nusakantis, kaip fluktuacijos kinta priklausomai nuo erdvinio mastelio (bangskaičio k):

  • Dideliuose masteliuose: Fluktuacijos išlieka linijinės didžiąją dalį Visatos istorijos, atspindėdamos beveik pirmines sąlygas.
  • Mažesniuose masteliuose: Ima dominuoti nelinijinės sąveikos, susidarančios ankstyvesnės struktūros hierarchiniu būdu.

Galios spektro matavimai iš KMF anizotropijų, galaktikų apklausų ir Lyman-alfa miško duomenų puikiai dera su ΛCDM modeliu [6,7].

5.2 Barioninės akustinės osciliacijos (BAO)

Ankstyvojoje Visatoje, fotonų-barionų virpesiai paliko įspaudą, aptinkamą kaip būdingas mastelis (BAO skalė) galaktikų pasiskirstyme. Stebint BAO „viršūnes“ galaktikų sankaupose:

  • Tikslinamos fluktuacijų augimo eigos kosminiu laiku detalės.
  • Nusakomas Visatos plėtimosi istorijos tempas (t. y. tamsioji energija).
  • Šis mastelis tampa standartine „liniuote“ kosminiams atstumams matuoti.

6. Nuo pirminių fluktuacijų iki kosminės architektūros

6.1 Kosminis tinklas

Kaip rodo simuliacijos, Visatos materija išsidėsto tinklo pavidalu, sudaryto iš gijų ir sluoksnių, persipynusių su didelėmis tuštumomis:

  • Gijos (filamentai): Tamsiosios materijos ir galaktikų grandinės, jungiančios spiečius.
  • Sluoksniai (pankekai): Dvimatės struktūros kiek platesniu masteliu.
  • Tuštumos (voids): Mažesnio tankio regionai, likę kone tušti, lyginant su tankesniais gijų susikirtimais.

Šis kosminis tinklas yra tiesioginis gravitacinės fluktuacijų amplifikacijos rezultatas, kurį diktuoja tamsiosios materijos dinamika [8].

6.2 Grįžtamojo ryšio ir galaktikų evoliucijos sąveika

Prasidėjus žvaigždėdarai, vaizdą gerokai sudėtingina grįžtamasis ryšys (žvaigždžių vėjai, supernovų išmetimai ir pan.). Žvaigždės praturtina tarpgalaktinę terpę sunkesniais elementais (metalais), keisdamos būsimų žvaigždžių chemiją. Galingi išmetimai gali slopinti ar net visiškai nutraukti žvaigždėdarą masyviose galaktikose. Taigi barioninė fizika įgauna vis svarbesnį vaidmenį, nulemdama galaktikų evoliuciją ir viršydama pradinę halų struktūros formavimosi mechaniką.

7. Dabartiniai tyrimai ir ateities kryptys

7.1 Aukštos skyros simuliacijos

Naujos kartos superkompiuterinės simuliacijos (pvz., IllustrisTNG, Simba, EAGLE) vis giliau integruoja hidrodinamiką, žvaigždėdarą ir grįžtamąjį ryšį. Lygindami šias simuliacijas su detaliais stebėjimais (pvz., Hablo kosminis teleskopas, JWST, pažangios antžeminės apklausos), astronomai tobulina ankstyvosios struktūrų formavimosi modelius. Taip tikrinama, ar tamsioji materija privalo būti grynai „šalta“, ar galima leisti šiltesnius ar tarpusavyje sąveikaujančios (SIDM) tamsiosios materijos variantus.

7.2 21 cm kosmologija

Stebint 21 cm liniją iš neutralaus vandenilio dideliame raudonajame poslinkyje atsiveria nauja galimybė susekti epochą, kai formavosi pirmosios žvaigždės ir galaktikos, galbūt net ankstyviausius gravitacinio kolapso etapus. Tokie projektai kaip HERA, LOFAR ir būsimoji SKA siekia sukurti dujų pasiskirstymo žemėlapius kosminiu laiku, apimančius epochą iki ir per rejonizaciją.

7.3 Nukrypimų nuo ΛCDM paieškos

Kai kurie astrofizikiniai neatitikimai (pvz., „Hablo įtampa“, smulkiosios struktūros galvosūkiai) skatina tyrinėti alternatyvius modelius, tokius kaip šiltoji tamsioji materija ar modifikuota gravitacija. Stebint, kaip tankio fluktuacijos vystėsi tiek dideliu, tiek smulkiu mastu, kosmologai mėgina patvirtinti arba paneigti standartinį ΛCDM modelį.

8. Išvada

Gravitacinis telkimasis ir tankio fluktuacijų augimas — tai kertinis Visatos struktūrų formavimosi procesas. Mikroskopinės kvantinės bangos, ištemptos infliacijos metu, vėliau, prasidėjus materijos dominavimui ir tamsiosios materijos telkimui, išaugo į didžiulį kosminį tinklą. Šis fundamentaliai svarbus reiškinys leido susiformuoti viskam: nuo pirmųjų žvaigždžių dwarf haluose iki milžiniškų galaktikų spiečių, laikančių superspiečius.

Šiandienos teleskopai ir superkompiuteriai vis geriau atskleidžia tuos epochų klodus, leisdami lyginti teorinius modelius su Visatoje įsirėžusiu „didžiuoju dizainu“. Plečiantis naujiems stebėjimams ir simuliacijoms, mes toliau atskleidžiame istoriją, kaip menki fluktuacijų sėklų grūdai išaugo į didingą aplink mus matomą kosminę architektūrą — istoriją, aprėpiančią kvantinę fiziką, gravitaciją ir materijos bei energijos dinamišką sąveiką.

Nuorodos ir platesnis skaitymas

  1. Guth, A. H. (1981). “Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems.” Physical Review D, 23, 347–356.
  2. Planck Collaboration. (2018). “Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters.” Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
  3. Smoot, G. F., et al. (1992). “Structure in the COBE DMR First-Year Maps.” The Astrophysical Journal Letters, 396, L1–L5.
  4. Springel, V. (2005). “The cosmological simulation code GADGET-2.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 364, 1105–1134.
  5. Zwicky, F. (1933). “Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln.” Helvetica Physica Acta, 6, 110–127.
  6. Tegmark, M., et al. (2004). “Cosmological parameters from SDSS and WMAP.” Physical Review D, 69, 103501.
  7. Cole, S., et al. (2005). “The 2dF Galaxy Redshift Survey: Power-spectrum analysis of the final data set and cosmological implications.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 362, 505–534.
  8. Bond, J. R., Kofman, L., & Pogosyan, D. (1996). “How filaments are woven into the cosmic web.” Nature, 380, 603–606.

Papildomi šaltiniai:

  • Peebles, P. J. E. (1993). Principles of Physical Cosmology. Princeton University Press.
  • Kolb, E. W., & Turner, M. S. (1990). The Early Universe. Addison-Wesley.
  • Mo, H., van den Bosch, F. C., & White, S. (2010). Galaxy Formation and Evolution. Cambridge University Press.

Atsigręžus į šiuos šaltinius, aiškėja, kad menkų tankio perturbacijų augimas yra kosminės istorijos pamatas — jis ne tik paaiškina, kodėl apskritai egzistuoja galaktikos, bet ir kaip jų didžiulės struktūros atspindi ankstyviausių Visatos laikų ženklus.

Takaisin blogiin