Astronomie

Was ist die aktuelle Erklärung für die Bildung kosmischer Leerstellen?

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Warum sind Galaxien nicht gleichmäßig im Weltraum verteilt, sondern bilden stattdessen diese schwammartigen Strukturen mit riesigen Hohlräumen zwischen den Filamenten?


Die Hohlraumbildung ist auf die akustischen Schwingungen der Baryonen zurückzuführen. Diese kann man sich als Fluktuationen in der dichten Materie in den frühen Stadien des Universums vorstellen; sie wurden zu Anisotropien, die im kosmischen Mikrowellenhintergrund zu sehen sind. Die Fluktuationen nahmen zu, bis sie die 150-Mpc-Skala erreichten, die gut mit der Größe der Hohlräume im heutigen Universum korreliert.

Es gibt einen interessanten Abschnitt (4.2) in diesem Artikel von Robert Brandenberger, der eine mathematische Behandlung der Fluktuationen von alle Arten wuchsen im frühen Universum. Es gibt eine bessere Version der Erklärung in Zeldovich (1972), die tatsächlich die Theorie darlegt. Die Zahlendichte (wenn Sie das Wortspiel verzeihen) ist in letzterem geringer, aber ersteres hat einen guten Überblick, da es eine breite Zusammenfassung sein soll.

Die einfache Erklärung ist, dass winzige Schwankungen im Laufe der Zeit zu riesigen Strukturen anwuchsen.


Vielleicht möchten Sie sich diesen Kurzfilm von einer der Behörden zu diesem Thema ansehen: https://www.youtube.com/watch?v=wI12X2zczqI

Der Film beginnt mit der Beantwortung der Frage "Was ist das kosmische Netz und wie sieht es aus?". Simulationen können solche Strukturen nachbilden, aber sie erklären nicht, "warum" sie so aussehen, wie sie aussehen. Der Hinweis liegt in der geometrischen Erscheinung der Strukturen: Die Hohlräume ähneln den Elementen einer Voronoi-Tessellation, in der sich die Wände der Voronoi-Polyeder in Linien kreuzen, die mit den Filamenten identifiziert werden. Wir müssen die Dynamik verstehen, die dieses Muster erzeugt hat.

Gegen 2:30 Uhr befasst sich der Film mit der Frage, warum er so aussieht, wie er aussieht, indem er ein einfaches ballistisches Modell für die Bewegung eines Satzes diskreter Partikel verwendet, die ein zufälliges Dichtefeld darstellen (das Zel'dovich-Modell). Die Filamente sind da, aber zu unscharf. Um etwa 3:00 wird dies verallgemeinert, um einen größeren Realismus zu erzielen, indem die Partikel klebrig werden. Dies ist das "Adhäsionsmodell", das durch die Burgers-Hopf-Gleichung bestimmt wird, die mit geometrischen Mitteln leicht zu lösen ist. Darin liegt keine Schwerkraft - es handelt sich um eine Ballistik, die auf das Dichtefeld einwirkt, das durch einen Gaußschen Zufallsprozess mit einer bekannten Kovarianzfunktion (oder Leistungsspektrum) erzeugt wird.

Das Adhäsionsmodell ist eine bemerkenswerte Darstellung der Struktur. Es zeigt, wie nichts "Besonderes" erforderlich ist, um das Muster des kosmischen Netzes zu erzeugen. Das ist das "Wie".

Die Frage "Warum sieht die Struktur so aus?" etwas komplexer: Dies ist die Frage nach der emergenten Geometrie, die in der Fachsprache der Lagrangeschen Strömungsbeschreibung verstanden wird. Aber die Grafik ist hübsch und ziemlich didaktisch, also einen Blick wert. Dies geschieht nach etwa 5:30 Uhr.

Der Film vergleicht das Erscheinungsbild der Strömung gleichzeitig im Lagrange- und im Eulerschen Raum. Im Lagrange-Bild haben die Teilchen feste Koordinaten,

Zum Film gehört ein kurzer beschreibender Artikel: http://arxiv.org/pdf/1205.1669v1.pdf und eine kurze Erklärung der Lagrangiuan-Sicht finden Sie unter http://arxiv.org/pdf/1211.5385v1.pdf Dies ist Teil der Abschlussarbeit von Johan Hidding vom Kapteyn Institut in Groningen (Betreuer Rien van de Weygaert - der Vater des kosmischen Netzes nach Richard Bond). Eine vollständige Darstellung der Natur der Singularitäten in Bezug auf die Morse-Theorie ist unter http://arxiv.org/pdf/1311.7134v1.pdf zu finden, und es sind noch mehrere andere Veröffentlichungen anhängig.


Die baryonischen akustischen Schwingungen (BAO) haben eine heutige Skala von $sim 100 h^{-1}$ Mpc. Dies hat wenig oder nichts mit dem Auftreten von Hohlräumen zu tun, die überwiegend auf Skalen von $sim 20h^{-1}$ Mpc auftreten. und darunter. Die BAO-Skala wird nur durch Korrelationsanalyse in der Galaxienverteilung nachgewiesen und manifestiert sich nicht durch bloße visuelle Inspektion, im Gegensatz zu den Hohlräumen, Filamenten und Clustern, die das Erscheinungsbild des kosmischen Netzes dominieren. Wenn überhaupt, werden die Voids-Skalen durch das Geschwindigkeitsfeld-Leistungsspektrum bestimmt, was angesichts der Funktionsweise der Zel'dovich-Approximation zu erwarten ist (wie in dem von mir erwähnten Film erläutert).

Ich hätte dies als Kommentar zum Beitrag hinzugefügt, außer dass ich einen unzureichenden Ruf habe und daher die einzige Möglichkeit ist, dies zu sagen. Entschuldigungen werden angeboten, wenn sie in Ordnung sind.