α202

Μοντέλο κοσμολογίας: Η διπλή έκρηξη. (σ. 2)

VLS: Η πολύ μεγάλη δομή του σύμπαντος.

...Όπως φαίνεται στις εργασίες μας, η κοινή εξέλιξη των δύο σύμπαντων δεν είναι ίδια. Το φαντασματικό σύμπαν έχει μεγαλύτερη πυκνότητα μάζας r* και υψηλότερη θερμοκρασία T*. Αποφασίσαμε να μελετήσουμε τις κοινές βαρυτικές αστάθειες σε ένα τέτοιο μείγμα, όπου, υπενθυμίζουμε:

• Το m έλκει το m (νόμος του Νεύτωνα)

• Το m* έλκει το m* (νόμος του Νεύτωνα)

• Τα m και m* απωθούνται αμοιβαία («αντι-Νευτώνειος» νόμος).

Λίγα λόγια για τη βαρυτική αστάθεια (αστάθεια Jeans).

...Θεωρήστε έναν μοναδικό πληθυσμό, ένα σύνολο μαζών m. Αυτό το μέσο έχει πυκνότητα μάζας r. Διαθέτει επίσης μια (μέση) θερμική ταχύτητα Vth.

...Υποθέστε ότι κάπου υπάρχει μια περιοχή του χώρου, με χαρακτηριστική έκταση f, όπου η πυκνότητα είναι υψηλότερη. Δείτε το σχήμα (147).
(147)

...Η θερμική ταχύτητα τείνει να διασκορπίσει αυτή τη συγκέντρωση μάζας και ο αντίστοιχος χαρακτηριστικός χρόνος διασποράς είναι:
(148)

...Φανταστείτε τώρα ότι αυτή η θερμική ταχύτητα είναι μηδενική. Αυτός ο σβώλος τείνει να καταρρεύσει. Μπορεί να υπολογιστεί ο χαρακτηριστικός χρόνος κατάρρευσης:
(149)

...Από την άλλη πλευρά, κάθε σβώλος τείνει να έλκει την περιβάλλουσα ύλη και να μεγαλώνει. Αυτή η διαταραχή θα αυξηθεί αν ο χαρακτηριστικός χρόνος προσαύξησης (χαρακτηριστικός χρόνος κατάρρευσης) είναι μικρότερος από τον χρόνο διασποράς:
(150)

Βρίσκουμε ένα χαρακτηριστικό μήκος:
(150-a)

που ονομάζεται μήκος Jeans.

...Οποιαδήποτε συγκέντρωση μάζας με έκταση μεγαλύτερη από αυτό το χαρακτηριστικό μήκος Jeans θα αυξηθεί και θα σχηματίσει σβώλους. Οι μικρότεροι θα διασκορπιστούν.

...Όταν σχηματίζεται ένας σβώλος ύλης, αυτός θερμαίνεται, γεγονός που αυξάνει την εσωτερική δύναμη πίεσης. Τελικά, η εσωτερική πίεση σταματά τη διαδικασία.

...Θα μπορούσε κανείς να σκεφτεί ότι η βαρυτική αστάθεια, η αστάθεια Jeans, σχηματίζει γαλαξίες, αστέρια, κ.λπ. Αλλά αυτό δεν είναι τόσο απλό. Για παράδειγμα, στο Τυπικό Μοντέλο, όταν t < 500.000 έτη, η θερμοκρασία του μείγματος ύλης και ακτινοβολίας είναι υψηλότερη από 3000°K. Τότε η ύλη (75% υδρογόνο, 25% ήλιο) είναι πλήρως ιονισμένη.

...Η ακτινοβολία, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, διασχίζουν με μεγάλη δυσκολία τα ιονισμένα αέρια. Όταν ένας αστροναύτης βρίσκεται στη διαδικασία επανεισόδου, το διαστημόπλοιο του περιβάλλεται για αρκετά λεπτά από θερμό, πλήρως ιονισμένο αέριο. Τότε καμία ραδιοεπικοινωνία δεν είναι δυνατή, καθώς τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα δεν μπορούν να διασχίσουν το κέλυφος ιονισμένου αερίου που περιβάλλει το σκάφος του.

...Μια ακτίνα φωτός είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Αλληλεπιδρά με τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, όχι με τα δεσμευμένα ηλεκτρόνια. Ένα ιονισμένο αέριο περιέχει πολλά ελεύθερα ηλεκτρόνια. Ένα ουδέτερο αέριο, κανένα. Γι' αυτό, όταν το Σύμπαν είναι θερμό και ιονισμένο, η ακτινοβολία και η ύλη είναι ισχυρά συζευγμένες.

...Στην ύλη, η απόλυτη θερμοκρασία Tm είναι το μέτρο της θερμικής ταχύτητας:
(150-b)

όπου k είναι η σταθερά του Boltzmann (k = 1,38 10-23).

Όταν:

• Η ύλη και η ακτινοβολία είναι στενά συζευγμένες

• Η ακτινοβολία κυριαρχεί (Τυπικό Μοντέλο t < 500.000 έτη)

τότε:
(150c)

αλλά:
(150d)

Το μήκος Jeans υπακούει στη σχέση:
(150-e)

...Το τελευταίο αντιστοιχεί στην απαίτηση διατήρησης της μάζας, κατά τη διάρκεια της διαδικασίας διαστολής R(t). Βλέπουμε ότι το μήκος Jeans μεταβάλλεται ανάλογα με το R(t). Έτσι, όσο νεότερο είναι το σύμπαν, τόσο μικρότερο είναι το μέγεθος των σβώλων που θα τείνουν να σχηματιστούν.

...Όταν t < 500.000 έτη, η ακτινοβολία εμποδίζει τον σχηματισμό σβώλων. Αλλά αμέσως μετά την αποσύζευξη, μπορούν να σχηματιστούν σβώλοι ύλης. Ας υπολογίσουμε τη μάζα τους. Είναι:
(150-f)

δηλαδή: 100.000 ηλιακές μάζες (η τυπική μάζα ενός σφαιρωτού σμήνους).

...Σύμφωνα με αυτό το σχήμα, τα σφαιρωτά σμήνη θα σχηματίζονταν πρώτα, αμέσως μετά την αποσύζευξη. Οι γαλαξίες, θεωρούμενοι ως σύνολα τέτοιων σμήνων, θα εμφανίζονταν αργότερα, κ.λπ....

...Αλλά όλα αυτά συμβαίνουν σε ένα σύμπαν που διαστέλλεται ταχέως. Δεν γνωρίζουμε πώς να το υπολογίσουμε, πώς να περιγράψουμε τη βαρυτική αστάθεια σε ένα διαστελλόμενο σύμπαν. Επιπλέον, δεν γνωρίζουμε πώς να ορίσουμε τον νόμο του Νεύτωνα σε ένα διαστελλόμενο σύμπαν.

...Ως συμπέρασμα, έχουμε διάφορα σχήματα για τη γέννηση των γαλαξιών. Κάποιοι πιστεύουν ότι τα αστέρια σχηματίζονται πρώτα, και μετά οι γαλαξίες. Άλλοι έχουν την αντίθετη γνώμη ...

...Ακολουθώντας αυτή τη γενική ιδέα της ιεραρχικής δομής, οι επιστήμονες σκέφτηκαν ότι, αν οι γαλαξίες οργανώνονταν σε σμήνη γαλαξιών (Κόμη, Παρθένος), σε μεγαλύτερη κλίμακα αυτά τα σμήνη θα ανήκαν σε κάποια υπερσμήνη. Αλλά οι παρατηρήσεις (1977) αποκάλυψαν μια εντελώς διαφορετική δομή. Δείτε το σχήμα (151):
(151)

...Οι γαλαξίες ήταν διατεταγμένοι γύρω από μεγάλα κενά (τυπικά 100 έτη φωτός διάμετρο). Σε πολύ μεγάλη κλίμακα (VLS), το σύμπαν μοιάζει με ενωμένες φυσαλίδες σαπουνιού. Τα σμήνη γαλαξιών αντιστοιχούν στα σημεία τομής τριών «πτυχώσεων». Δείτε το σχήμα (152).

...Σήμερα, είναι ακόμη δύσκολο να εξηγηθούν τέτοιες δομές. Ακολουθώντας την αρχική ιδέα του Ρώσου Zel'dovitch, ο Mellot πραγματοποίησε προσομοιώσεις τριών διαστάσεων (3d). Αλλά τα προκύπτοντα κελιά δεν ήταν σταθερά χρονικά. Εξαφανίζονταν γρήγορα, εκτός αν κανείς σταθεροποιούσε το σύστημα με μια ad hoc κατανομή ψυχρής σκοτεινής ύλης.

...Το μοντέλο ύλης-απωθητικής φαντασματικής ύλης προσφέρει μια εναλλακτική ερμηνεία του φαινομένου. Δείτε την εργασία μας:
J.P.Petit, P.Midy και F.Landsheat: Ύλη, φαντασματική ύλη, αστροφυσική. 5: Αποτελέσματα αριθμητικών προσομοιώσεων δύο διαστάσεων (2d). VLS. Σχετικά με ένα πιθανό σχήμα για τον σχηματισμό των γαλαξιών. Γεωμετρική Φυσική Α, 8, 1998.