2
La estructura a gran escala del universo.
Si el segundo universo ve su expansión contrariada por el nuestro, ralentizada, su densidad
r
- se mantiene en un valor más alto, al igual que su temperatura. Entonces se decide estudiar la inestabilidad gravitacional en un sistema compuesto por dos poblaciones, auto-atractivas, pero que se repelen mutuamente.
Según la teoría, es la más densa la que responde más rápidamente y de manera más intensa. Es ella quien, mediante inestabilidad gravitacional, dará lugar a conglomerados de materia fantasma.
¿Qué es la inestabilidad gravitacional, estudiada por primera vez por Sir James Jeans, ya citado?
Consideremos un medio que posee una densidad r y cuyos elementos están animados de una cierta velocidad de agitación térmica Vth, y propongámonos estudiar el crecimiento o la disipación de posibles perturbaciones de densidad. Supongamos que, en algún lugar, se ha formado una sobredensidad de un diámetro
f
.
La agitación térmica tenderá naturalmente a disipar esta perturbación. ¿En cuánto tiempo? En un tiempo del orden de
Este es el tiempo que tarda un átomo en recorrer la distancia
f
, por lo tanto también es el tiempo que tardará este grumo en duplicar su diámetro.
Imaginemos que la velocidad de agitación sea nula. Estos átomos se atraen. Este grumo tenderá a colapsar sobre sí mismo. Se sabe calcular el tiempo que tarda en contraerse. De hecho, una "nube de polvo" que colapsa sobre sí misma se parece al Big Bang, al revés:
Se compara entonces estos dos tiempos.
Ocurrirá condensación de una perturbación si el tiempo de acreción es inferior al tiempo de autodisipación, bajo el efecto de la agitación térmica.
Las perturbaciones de un diámetro superior a una longitud característica, llamada longitud de Jeans Lj, se amplificarán y darán lugar a condensados, conglomerados de materia (clumps).
Cuando se forma este "grumo" de materia, la materia se comprime y se calienta. Las fuerzas de presión aumentan y finalmente detienen el proceso.
Se llama esto
inestabilidad gravitacional
o
inestabilidad de Jeans.
En el caso del modelo estándar, podríamos decir:
- Muy bien. Después del Big Bang, el universo, en expansión, se enfriará, y la implementación de la inestabilidad gravitacional me permitirá elaborar un escenario de nacimiento de galaxias y estrellas.
Si fuera tan sencillo, ya estaría hecho. En realidad no tenemos ningún modelo de nacimiento de galaxia. Algunos creen que los cúmulos de estrellas se formaron primero, luego las galaxias, y después las estrellas. Otros defienden la opinión opuesta.
Además, todo esto ocurre en un universo en expansión aún muy intensa. La detección de galaxias con un gran corrimiento al rojo muestra que se trata de objetos muy antiguos (confirmado por la edad de las estrellas más viejas de la galaxia). No sabemos manejar todo esto teóricamente.
Pero sabemos dos cosas:
1: Esta inestabilidad gravitacional no puede cumplir su función mientras el gas de materia permanezca fuertemente ligado al "gas de fotones", mientras el universo siga ionizado. En efecto, los fotones interactúan más intensamente con los electrones libres (que han escapado de los átomos) que con los electrones orbitando alrededor de los núcleos.
Los fotones, a su manera, forman "un gas". Durante la expansión, este gas se expande, como la materia, y posee su propia presión o
presión de radiación.
Cuando materia y fotones están fuertemente acoplados, cuando una masa de gas ionizado tiende a contraerse, arrastra consigo este gas de fotones.
- Pero los fotones viajan a la velocidad de la luz. ¿Cómo puede una masa de gas de dimensión finita "aprisionar fotones"?
Apretar, se entiende. En esta masa de gas, los fotones son continuamente absorbidos y reemitidos. Al ritmo de estas absorciones-emisiones, los fotones tienen mucha dificultad para salir de esta masa gaseosa. En este sentido, están retenidos prisioneros (y es lo mismo para los fotones emitidos en el núcleo del Sol, que atraviesan muy lentamente y con gran dificultad hasta su superficie).
Cuando el universo tiene menos de 500.000 años, no solo la radiación se encuentra atrapada en las masas de gas ionizado que tendrían intenciones de formar grumos, sino que la presión de radiación sigue siendo demasiado alta como para permitir estas condensaciones.
Conclusión: homogeneidad del universo, o casi homogeneidad hasta t = 500.000 años, según el modelo estándar. Si algo sucede, es después.
2: Existen estrellas, reunidas en galaxias, que a su vez constituyen una estructura a gran escala. Algunas galaxias se agrupan entre sí en cúmulos (cúmulo de Coma, cúmulo de Virgo) de un millar de individuos. Al principio se creyó que esto continuaría a una escala superior y se propuso la idea de la existencia de supercúmulos, cúmulos de cúmulos.
La observación reveló algo totalmente distinto. En realidad, las galaxias se distribuyen formando lo que podríamos llamar "burbujas de jabón unidas". Los cúmulos de galaxias son solo los "nudos" de esta distribución. A continuación, el resultado del análisis de las observaciones (1977).
Así, las galaxias se distribuyen, a escala muy grande (Very Large Structure), alrededor de grandes burbujas de vacío cuyo diámetro característico es del orden de cientos de millones de años-luz.
Siguiendo otra aproximación, investigadores han intentado reconstruir estas estructuras partiendo de una distribución uniforme de materia (en un solo universo, evidentemente). La teoría inicial era la de la crecimiento de perturbaciones planas, en capas (los "pancakes" de Zel'dovitch). Pero los resultados resultaron decepcionantes. Las simulaciones en ordenador daban algunas celdas, pero estas se disipaban rápidamente por agitación térmica. Actualmente no existe ninguna teoría convincente sobre la formación de tales estructuras. Al máximo, se logra asegurar su permanencia, aunque relativa, consolidándolas con "materia oscura fría".
Existe una forma geométrica de interpretar esta distribución de puntos-masa: materia ordinaria repelida por conglomerados de materia fantasma, dibujo que ya se presentó anteriormente.
Consideramos una superficie que correspondería a una red colocada sobre estacas de tienda, con extremos redondeados. A modo de comentario, cuanto más redondeadas sean las puntas de nuestras estacas, más extendido será el grumo de materia fantasma. Situación opuesta si las estacas son más puntiagudas. En el límite de estacas infinitamente puntiagudas corresponderían a regiones positivas: a puntos de curvatura positiva concentrada.
Aquí presentamos otro modelo, que corresponderá a la sección siguiente.
Página anterior
Página siguiente
Índice de este dossier
Índice ciencia
Volver a Novedades
Número de consultas de esta página desde el 13 de junio de 2005