Первичные флуктуации Вселенной: от инфляции до крупномасштабной структуры
Primordial fluctuations
Первичные флуктуации – колебания плотности в ранней Вселенной, зародыши структуры. Инфляционная теория объясняет их происхождение, влияющее на формирование галактик.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Первичные флуктуации – это вариации плотности в ранней Вселенной, которые рассматриваются как зародыши всей структуры во Вселенной. В настоящее время наиболее общепринятым объяснением их происхождения является космическая инфляция. Согласно инфляционной парадигме, экспоненциальный рост масштабного фактора в период инфляции привел к растяжению квантовых флуктуаций инфлатонного поля до макроскопических масштабов, и, выйдя за горизонт, они "зафиксировались". На более поздних этапах, в эпоху доминирования излучения и материи, эти флуктуации вновь вошли в горизонт, тем самым задав начальные условия для формирования структуры. Статистические свойства первичных флуктуаций можно установить на основе наблюдений анизотропии космического микроволнового фона и измерений распределения материи, например, при галактических обзорах красного смещения. Поскольку считается, что флуктуации возникают в результате инфляции, подобные измерения также позволяют наложить ограничения на параметры инфляционной теории.
Primordial fluctuations are density variations in the early universe which are considered the seeds of all structure in the universe. Currently, the most widely accepted explanation for their origin is in the context of cosmic inflation. According to the inflationary paradigm, the exponential growth of the scale factor during inflation caused quantum fluctuations of the inflaton field to be stretched to macroscopic scales, and, upon leaving the horizon, to "freeze in". At the later stages of radiation and matter domination, these fluctuations re entered the horizon, and thus set the initial conditions for structure formation. The statistical properties of the primordial fluctuations can be inferred from observations of anisotropies in the cosmic microwave background and from measurements of the distribution of matter, e. g., galaxy redshift surveys. Since the fluctuations are believed to arise from inflation, such measurements can also set constraints on parameters within inflationary theory.
Формализм
Первичные флуктуации обычно квантифицируются спектром мощности, который показывает мощность вариаций как функцию пространственного масштаба. В рамках этого формализма обычно рассматривается относительная плотность энергии флуктуаций, задаваемая выражением:
Primordial fluctuations are typically quantified by a power spectrum which gives the power of the variations as a function of spatial scale. Within this formalism, one usually considers the fractional energy density of the fluctuations, given by:
где – плотность энергии, – её среднее значение, а – волновое число флуктуаций. Спектр мощности затем может быть определен через ансамблевое усреднение компонент Фурье:
where is the energy density, its average and the wavenumber of the fluctuations. The power spectrum can then be defined via the ensemble average of the Fourier components:
Существуют как скалярные, так и тензорные моды флуктуаций.
There are both scalar and tensor modes of fluctuations.
Адьябатические/изокривистые колебания
Адиабатические флуктуации – это изменения плотности во всех формах материи и энергии, для которых относительное изменение плотности одинаково для всех компонентов. Например, адиабатическое превышение плотности фотонов в два раза по числу частиц также будет соответствовать превышению плотности электронов в два раза. В случае изокурватурных флуктуаций, изменения плотности числа частиц для одного компонента не обязательно связаны с изменениями плотности числа частиц для других компонентов. Хотя обычно предполагается, что начальные флуктуации были адиабатическими, возможность существования изокурватурных флуктуаций учитывается на основе современных космологических данных. Современные данные о космическом микроволновом фоне подтверждают адиабатическую природу флуктуаций и ограничивают вклад некоррелированных изокурватурных мод холодной темной материи.
Adiabatic fluctuations are density variations in all forms of matter and energy which have equal fractional over/under densities in the number density. So for example, an adiabatic photon overdensity of a factor of two in the number density would also correspond to an electron overdensity of two. For isocurvature fluctuations, the number density variations for one component do not necessarily correspond to number density variations in other components. While it is usually assumed that the initial fluctuations are adiabatic, the possibility of isocurvature fluctuations can be considered given current cosmological data. Current cosmic microwave background data favor adiabatic fluctuations and constrain uncorrelated isocurvature cold dark matter modes to be small.