Космічна Мережа: Як Гравітація Будувала Всесвіт з Ниток і Порожнин

Мережа, складена лише з гравітації

Якщо відійти достатньо далеко, Всесвіт перестає виглядати як випадкове розсіяння галактик і починає нагадувати губку. Галактики групуються вздовж товстих ниток, ці нитки з'єднуються в щільні вузли, нитки обмежують широкі пластини, а між ними розташовані величезні порожнечі, що мають розміри від десятків до сотень мегапарсек. Цей малюнок називається космічною мережею, і для її утворення не потрібних особливих інгредієнтів – достатньо простої ньютонівської гравітації, що діє на майже однорідний газ матерії протягом 13,8 мільярдів років.

Насіння зароджується під час рекомбінації, приблизно через 380 000 років після Великого вибуху, коли космічне мікрохвильове фонового випромінювання застигає в невеликих щільних флуктуаціях, що становлять близько однієї частини на 100 000. Області, які трохи щільніші за середнє значення, притягують трохи більше матерії через гравітацію, тому дисбаланс наростає – це неконтрольований процес, що називається гравітаційною нестабільністю. Темна матерія, яка взаємодіє лише через гравітацію, починає збиратися майже одразу, а звичайна (барйонічна) матерія відстає, поки вона не відокремлюється від радіації.

Блискітки, волокна та чому порядок має значення

У 1970-х роках Яків Зельдович показав, що найранніший етап колапсу найкращим чином описується тим, що кожну ділянку матерії дозволено вільно падати під дією прямих ліній, встановлених початковим гравітаційному потенціалу. Оскільки справжні розподіли щільності майже ніколи не є ідеально сферичними, колапс вздовж найкоротшої осі нерівномірного ущільнення відбувається першим: об'єм згладжується до бліску (друга вісь вже зруйнована), бліскітки перетинаються, утворюючи волокна (третя вісь також зруйнована), а волокна перетинаються, утворюючи щільні вузли – майбутні місця злиття галактик, де всі три осі колапсували. Пустоти є просто областями, які спочатку були трохи менш щільними та втрачають матерію навколишнім щільнішим середовищам з того часу.

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

N-тіло моделювання: перетворення частинок у мережу

Коли колапс стає нелінійним, немає чистої формули, тому космологи використовують N-тіло моделювання: мільярди трекерних частинок, кожна з яких представляє кластер темної матерії, підштовхуються кожною іншою частинкою за силою тяжіння плюс загальне розширення простору. Обчислення прямої суми сил між усіма парами коштують O(n квадрат), що нереально при мільярдах частинок, тому виробничі коди використовують методи на основі дерев (групування віддалених частинок і підсумовування їхнього впливу як одного члена, такий самий трюк, який використовує Barnes-Hut), або методи на основі сітки (розміщення маси на сітці та розв’язування потенціалу з використанням FFT), або гібрид обох – TreePM, метод, що лежить в основі симуляцій, таких як Millennium і IllustrisTNG. Демонстрація на цій сторінці зберігає цю ідею, але зменшує масштаб: кілька тисяч частинок, пряма гравітація, без терміну розширення простору, тому такий самий якісний процес відбувається за секунди замість гігантських років.

Звичайна матерія слідує, а потім випромінюється

Темна матерія переважає над звичайною приблизно у п’ять разів і домінує в гравітації, яка будує каркас. Газ падає в потенціальні ями, що створює цей каркас, піддається термічному опроміненню при цьому та накопичується в вузлах і волокнах – саме тому галактики та міжгалактичні кластери розташовані точно там, де найщільніша сітка. Глибокі галактичні описи, такі як Sloan Digital Sky Survey, відтворюють сітку, яка майже повністю відповідає симуляціям лише з темною матерією, структура для структури – один із найпереконливіших доказів того, що гравітація плюс темна матерія є в основному правильною картиною утворення структур.

Читання веб-сайтів сьогодні

Сучасні описи класифікують кожну точку простору в одне з чотирьох середовищ інтернету – порожнину, лист, волокно, вузол – зазвичай, підраховуючи, скільки власне значень тензора локальної припливної сили має позитивних, оскільки це повідомляє, які осі вже колапсували там. Середовище інтернету галактики сильно корелює з її властивостями: галактики кластерів і волокон зазвичай старіші, червонуваті та позбавлені газу, тоді як галактики порожнин залишаються блакитними та продовжують утворювати зірки – зв’язок, який досі розгадується як одне з найбільш активних питань в спостережуваній космології.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Cosmic Web і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.