Materiały i Energia: Podstawy Wszechświata

Siatka zbudowana wyłącznie z grawitacji

Jeśli wystrzeli się na bardzo dużą odległość, Wszechświat przestaje wyglądać jak losowy rozrzucony stos galaktyk i zaczyna przypominać gąbkę. Galaktyki skupiają się w cienkich włóknach, włókna łączą się w gęste węzły, włókna wiążą szerokie arkusze, a pomiędzy nimi znajdują się ogromne, prawie puste pustka o wymiarach od dziesięciu do setek megaparseców. Ten wzór nazywa się kosmiczną siatką i nie potrzebuje żadnego specjalnego składnika – wystarczy prosta grawitacja nowtonowska działająca na niemal jednolitą masę gazową przez 13,8 miliarda lat.

Zasiew siewany jest podczas rekombinacji, około 380 000 lat po Wielkim Wybuchu, kiedy promieniowanie kosmiczowego mikrofalowego zamarza w drobnych fluktuacjach gęstości o wielkości 1 na 100 000. Regiony nieco gęstsze od przeciętnej przyciągają nieco więcej materii dzięki grawitacji, więc ten dysbalans rośnie – to proces niestabilności grawitacyjnej, czyli niekontrolowany wzrost. Ciemna materia, która oddziałuje tylko poprzez grawitację, zaczyna się gromadzić niemal natychmiast, podczas gdy zwykła (baryoniczna) materia jest opóźniona do momentu odłączenia od promieniowania.

Placki, filamenty i dlaczego porządek ma znaczenie

W latach 70. Yakov Zeldovich wykazał, że wczesny etap upadku dobrze opisuje się, pozwalając każdej plamie materii swobodnie opadać wzdłuż prostych linii zdefiniowanych przez początkowe pole grawitacyjne. Ponieważ rzeczywiste pola gęstości rzadko kiedy są idealnie kuliste, upadek wzdłuż najkrótszego osi nieregularnej gęstości występuje pierwszy: kupa płaszczy się w kształt placka, placki przecinają się tworząc filamenty (nastąpiło upadek wzdłuż drugiej osi), a filamenty przecinają się tworząc gęste węzły – przyszłe miejsca formowania się gromad galaktyk, gdzie wszystkie trzy osie uległy upadkowi. Pustka to po prostu obszar, który początkowo był lekko niedogęsty i od tamtej pory tracił materię na rzecz otaczających go obszarów o większej gęstości.

Zeldovich approximation, comoving position at time t:

  x(t) = q + D(t) * psi(q)

q       initial (Lagrangian) position on a uniform grid
psi(q)  displacement field, set by the gradient of the initial potential
D(t)    linear growth factor - small early on, grows as the universe ages

collapse happens first along the axis where psi's gradient is steepest
  -> sheet, then filament, then node, in that order

Symulacje N-ciał: przekształcanie cząstek w sieć

Gdy upadek staje się nieliniowy, nie istnieje czysty wzór, dlatego kosmologowie wykorzystują symulacje N-ciał: miliardy cząstek-śledzących, każda reprezentująca zlepki ciemnej materii, popychanych przez grawitację każdej innej cząstki oraz ogólną ekspansję przestrzeni. Bezpośrednie sumowanie sił parzystości kosztuje O(n kwadrat), co jest bezwzględnie niewykonalne przy miliardach cząstek, dlatego kody produkcyjne wykorzystują kody drzewiaste (grupujące oddalone cząstki i sumując ich wpływ jako jeden termin, podobnie jak w przypadku metody Barnes-Hut) lub metody siatki na węzłach (depozyt masy na siatce i rozwiązywanie potencjału za pomocą FFT), a także hybrydę obu metod – TreePM, która leży u podstaw symulacji takich jak Millennium i IllustrisTNG. Demo na tej stronie zachowuje tę ideę, ale zmniejsza skalę: kilka tysięcy cząstek, bezpośrednia grawitacja, bez termu ekspansji, dzięki czemu ten sam proces jakościowy rozgrywa się w ciągu sekund zamiast miliardów lat.

Zwykła materia podąża, a następnie świeci

Ciemna materia przewyższa zwykłą materię około pięciu do jednego i dominuje grawitacja, która buduje konstrukcję. Gazy opadają w potencjalne zagłębienia, które ta konstrukcja tworzy, poddając się szokowemu nagrzewaniu podczas tego procesu i gromadzą się w węzłach oraz włóknach – dlatego też galaktyki i grupy galaktyk znajdują się dokładnie tam, gdzie sieć jest najbardziej gęsta. Głębokie badania galaktyk, takie jak Sloan Digital Sky Survey, mapują sieć, która niemal doskonale odzwierciedla konstrukcję symulacji składających się wyłącznie z ciemnej materii, stanowiąc jedno z najsilniejszych dowodów na to, że grawitacja plus ciemna materia jest zasadniczo prawidłowym obrazem tego, jak powstawała struktura.

Czytanie internetu dzisiaj

Nowoczesne badania klasyfikują każdy punkt przestrzeni na jeden z czterech środowisk sieciowych – pustkę, arkusz, włókiennicę i węzeł – zazwyczaj licząc, ile wartości własnych tensoru siły pływowej jest dodatnich, ponieważ mówi to o tym, które osie uległy już kolapsowi. Środowisko sieci galaktyki silnie koreluje z jej właściwościami: galaksie klastrowych i włókiennicowych są zwykle starsze, bardziej czerwone i pozbawione gazu, podczas gdy galaksie pustynne pozostają niebieskie i nadal formują gwiazdy – związek ten wciąż jest badany jako jedno z najbardziej aktywnych pytań w obserwacyjnej kosmologii.

Frequently asked questions

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Cosmic Web i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.