a202 Un modelo cosmológico: el doble big bang. (p.2)
VLS: La muy gran estructura del universo.
...Como muestran nuestros trabajos, la evolución conjunta de los dos universos no es idéntica. El universo fantasma tiene una densidad de masa r* más alta y una temperatura T* más alta. Decidimos estudiar las inestabilidades gravitacionales conjuntas en tal mezcla, donde, recordemos:
-
m atrae a m (ley de Newton)
-
m* atrae a m* (ley de Newton)
-
m y m* se repelen mutuamente ("ley anti-Newton").
Algunas palabras sobre la inestabilidad gravitacional (inestabilidad de Jeans).
...Consideremos una sola población, un conjunto de masas m. Este medio tiene una densidad de masa r. También tiene una velocidad térmica promedio Vth.
...Supongamos que en el espacio haya una región cuya escala característica es f, donde la densidad es más alta. Ver figura (147).
(147)
...La velocidad térmica tiende a disipar esta concentración de masa, y el tiempo característico de dispersión correspondiente es:
(148)
...Imaginemos ahora que esta velocidad térmica sea nula. Este grupo tiende a colapsar. Se puede calcular el tiempo característico de colapso:
(149)
...Por otro lado, cualquier grupo tiende a atraer la materia circundante y a crecer. Esta perturbación crecerá si el tiempo característico de acreción (tiempo característico de colapso) es menor que el tiempo de dispersión:
(150)
Encontramos una longitud característica:
(150-a)
llamada longitud de Jeans.
...Toda concentración de masa cuya extensión excede esta longitud de Jeans característica crecerá y formará agrupaciones. Las más pequeñas se disiparán.
...Cuando se forma una agrupación de materia, esta se calienta, lo que aumenta la fuerza de presión interna. Finalmente, la presión interna detiene el proceso.
...Se podría pensar que la inestabilidad gravitacional, la inestabilidad de Jeans, forma galaxias, estrellas, etc. Pero no es tan sencillo. Por ejemplo, en el Modelo Estándar, cuando t < 500.000 años, la temperatura de la mezcla materia-radiación es superior a 3000 °K. La materia (75% de hidrógeno, 25% de helio) está entonces completamente ionizada.
...La radiación, las ondas electromagnéticas, atraviesan con dificultad los gases ionizados. Cuando un astronauta está en fase de entrada atmosférica, su nave espacial está rodeada durante varios minutos por un gas caliente y completamente ionizado. Por tanto, no hay comunicación de radio posible, ya que las ondas electromagnéticas no pueden atravesar la capa de gas ionizado que rodea su nave.
...Un rayo de luz es una onda electromagnética. Actúa sobre los electrones libres, no sobre los electrones ligados. Un gas ionizado contiene muchos electrones libres. Un gas neutro, ninguno. Por eso, cuando el Universo está caliente y ionizado, la radiación y la materia están fuertemente acopladas.
...En la materia, la temperatura absoluta Tm es una medida de la velocidad térmica:
(150-b)
donde k es la constante de Boltzmann (k = 1,38 × 10⁻²³).
Cuando:
-
materia y radiación están fuertemente acopladas
-
la radiación domina (modelo estándar t < 500.000 años)
entonces:
(150-c)
pero:
(150-d)
La longitud de Jeans obedece a:
(150-e)
...La última corresponde a la condición de conservación de masa durante el proceso de expansión R(t). Vemos que la longitud de Jeans varía como R(t). Así, cuanto más joven sea el Universo, más pequeña será la tamaño de las agrupaciones que tienden a formarse.
...Cuando t < 500.000 años, la radiación impide la formación de agrupaciones. Pero inmediatamente después del desacoplamiento, las agrupaciones de materia pueden formarse. Calculemos su masa. Es:
(150-f)
...es decir: 100.000 masas solares (masa típica de un cúmulo globular).
...Según este esquema, los cúmulos globulares se formarían primero, justo después del desacoplamiento. Las galaxias, consideradas como conjuntos de tales cúmulos, aparecerían después, y así sucesivamente...
...Pero todo esto ocurre en un Universo en expansión rápida. No sabemos cómo calcularlo, ni cómo describir la inestabilidad gravitacional en un Universo en expansión. Además, no sabemos cómo definir la ley de Newton en un Universo en expansión.
...En conclusión, tenemos varios esquemas para el nacimiento de las galaxias. Algunos piensan que las estrellas se forman primero, luego las galaxias. Otros tienen la opinión inversa...
...Siguiendo esta idea general de estructura jerárquica, se pensaba que si las galaxias estaban organizadas en cúmulos de galaxias (Coma, Virgo), a una escala más grande, estos cúmulos deberían pertenecer a supercúmulos. Pero las observaciones (1977) revelaron una estructura completamente diferente. Ver figura (151):
(151)
...Las galaxias estaban dispuestas alrededor de grandes vacíos (típicamente de 100 años-luz de diámetro). A una escala muy grande (VLS), el Universo se parece a burbujas de jabón unidas. Los cúmulos de galaxias corresponden a los puntos de intersección de tres "pliegues". Ver figura (152).
...Hoy en día, sigue siendo difícil explicar tales estructuras. Siguiendo la idea inicial del ruso Zel'dovitch, Mellot realizó simulaciones numéricas en 3D. Pero las celdas obtenidas no eran estables en el tiempo. Desaparecían rápidamente, a menos que se estabilizara el sistema mediante una distribución artificial de materia oscura fría.
...El modelo materia-repulsiva materia fantasma da una interpretación alternativa del fenómeno. Ver nuestro artículo:
J.P. Petit, P. Midy y F. Landsheat: Astrofísica materia-materia fantasma. 5: Resultados de simulaciones numéricas 2D. VLS. Acerca de un esquema posible para la formación de galaxias. Geometría Física A, 8, 1998.