a202 Un modèle cosmologique : le double big bang. (p.2)
VLS : La très grande structure de l'univers.
...Comme le montrent nos travaux, l'évolution conjointe des deux univers n'est pas identique. L'univers fantôme possède une densité de masse r* plus élevée et une température T* plus élevée. Nous avons décidé d'étudier les instabilités gravitationnelles conjointes dans un tel mélange, où, rappelons-le :
-
m attire m (loi de Newton)
-
m* attire m* (loi de Newton)
-
m et m* se repoussent mutuellement (« loi anti-Newton »).
Quelques mots sur l'instabilité gravitationnelle (instabilité de Jeans).
...Considérons une seule population, un ensemble de masses m. Ce milieu possède une densité de masse r. Il possède également une vitesse thermique moyenne Vth.
...Supposons qu'au sein de l'espace, nous ayons une région dont l'échelle caractéristique est f, où la densité est plus élevée. Voir la figure (147).
(147)
...La vitesse thermique tend à dissiper cette concentration de masse, et le temps caractéristique de dispersion correspondant est :
(148)
...Imaginons maintenant que cette vitesse thermique soit nulle. Ce regroupement tend à s'effondrer. On peut calculer le temps caractéristique d'effondrement :
(149)
...D'autre part, tout regroupement tend à attirer la matière environnante et à croître. Cette perturbation croîtra si le temps caractéristique d'accrétion (temps caractéristique d'effondrement) est inférieur au temps de dispersion :
(150)
Nous trouvons une longueur caractéristique :
(150-a)
appelée longueur de Jeans.
...Toute concentration de masse dont l'étendue dépasse cette longueur de Jeans caractéristique croîtra et formera des amas. Les plus petits s'évaporeront.
...Lorsqu'un amas de matière se forme, celui-ci se réchauffe, ce qui augmente la force de pression interne. En fin de compte, la pression interne arrête le processus.
...On pourrait penser que l'instabilité gravitationnelle, l'instabilité de Jeans, forme les galaxies, les étoiles, etc. Mais ce n'est pas si simple. Par exemple, dans le Modèle Standard, lorsque t < 500 000 ans, la température du mélange matière-rayonnement est supérieure à 3000 °K. La matière (75 % d'hydrogène, 25 % d'hélium) est alors entièrement ionisée.
...La radiation, les ondes électromagnétiques, traversent difficilement les gaz ionisés. Lorsqu'un astronaute est en phase de rentrée atmosphérique, son vaisseau spatial est entouré pendant plusieurs minutes par un gaz chaud et entièrement ionisé. Ainsi, aucune communication radio n'est possible, car les ondes électromagnétiques ne peuvent traverser la couche de gaz ionisé entourant son vaisseau.
...Un rayon lumineux est une onde électromagnétique. Il agit sur les électrons libres, pas sur les électrons liés. Un gaz ionisé contient beaucoup d'électrons libres. Un gaz neutre, aucun. C'est pourquoi, lorsque l'Univers est chaud et ionisé, la radiation et la matière sont fortement couplées.
...Dans la matière, la température absolue Tm est une mesure de la vitesse thermique :
(150-b)
où k est la constante de Boltzmann (k = 1,38 × 10⁻²³).
Lorsque :
-
matière et radiation sont fortement couplées
-
radiation dominante (modèle standard t < 500 000 ans)
alors :
(150-c)
mais :
(150-d)
La longueur de Jeans obéit à :
(150-e)
...La dernière correspond à la condition de conservation de la masse pendant le processus d'expansion R(t). Nous voyons que la longueur de Jeans varie comme R(t). Ainsi, plus l'Univers est jeune, plus petite est la taille des amas qui ont tendance à se former.
...Lorsque t < 500 000 ans, la radiation empêche la formation des amas. Mais immédiatement après le découplage, les amas de matière peuvent se former. Calculons leur masse. Elle est :
(150-f)
...soit : 100 000 masses solaires (masse typique d'un amas globulaire).
...Selon ce schéma, les amas globulaires se formeraient en premier, juste après le découplage. Les galaxies, considérées comme des ensembles de tels amas, apparaîtraient ensuite, et ainsi de suite...
...Mais tout cela se produit dans un Univers en expansion rapide. Nous ne savons pas comment le calculer, ni comment décrire l'instabilité gravitationnelle dans un Univers en expansion. En outre, nous ne savons pas comment définir la loi de Newton dans un Univers en expansion.
...En conclusion, nous avons plusieurs schémas pour la naissance des galaxies. Certains pensent que les étoiles se forment en premier, puis les galaxies. D'autres ont l'opinion inverse...
...Suivant cette idée générale de structure hiérarchique, on pensait que si les galaxies étaient organisées en amas de galaxies (Coma, Vierge), à une échelle plus grande, ces amas devraient appartenir à des super-amas. Mais les observations (1977) ont révélé une structure complètement différente. Voir la figure (151) :
(151)
...Les galaxies étaient disposées autour de grands vides (typiquement de 100 années-lumière de diamètre). À une très grande échelle (VLS), l'Univers ressemble à des bulles de savon jointes. Les amas de galaxies correspondent aux points d'intersection de trois « plis ». Voir la figure (152).
...Aujourd'hui, il reste difficile d'expliquer de telles structures. Suivant l'idée initiale du russe Zel'dovitch, Mellot a réalisé des simulations numériques en 3D. Mais les cellules obtenues n'étaient pas stables dans le temps. Elles disparaissaient rapidement, sauf si l'on stabilisait le système grâce à une distribution artificielle de matière noire froide.
...Le modèle matière-répulsive matière fantôme donne une interprétation alternative du phénomène. Voir notre article :
J.P. Petit, P. Midy et F. Landsheat : Astrophysique matière-matière fantôme. 5 : Résultats de simulations numériques 2D. VLS. À propos d'un schéma possible pour la formation des galaxies. Physical Geometry A, 8, 1998.
Version originale (anglais)
a202 A cosmological model : The twin bang. (p.2)
VLS : The very large structure of the universe.
...As show in our works, the joint evolution of the two universes are not identical. The ghost universe has higher mass-density r* and higher temperature T*. We decided to study joint gravitational instabilities in such mixture, where, we recall :
-
m attracts m ( Newton's law)
-
m* attracts m* (Newton's law)
-
m and m* repel each other ( "anti-Newton's" law ).
A few words about the gravitational instability (Jeans' instability).
...Take a single population, a set of masses m . This medium has a mass-density r . It also owns a (mean) thermal velocity Vth.
...Assume that somewhere we have a portion of space, whose characteristic span is f , where the density is higher. See figure (147).
(147)
...The thermal velocity tends to dissipate this mass concentration and the corresponding characteristic dispersion time is :
(148)
...Imagine now this thermal veolicity is zero. This clump tends to collapse. One can compute the characteristic collapse time:
(149)
...On the other hand, any clump tends to attract surrounding matter, and to grow. This perturbation will grow if the characteristic accretion time ( characteristic collapse time ) is smaller than the dispersion time. :
(150)
We find a characteristic length :
(150-a)
called Jeans' length.
...Any mass-concentration whose span is larger than this characteristic Jeans'length will grow and form clumps. Smaller will dissipate.
...When a clump of matter forms, the last is warmed, which raises the internal pressure force. Finally, internal pressure stops the process.
...One could think that the gravitational instability, Jeans'instability, forms galaxies, stars, and so on. But this is not so simple. For example, in the Standard Model, when t < 500,000 years, the temperature of mixed matter and radiation is higer that 3000°K. Then matter (75 % hyydrogen, 25 % helium) is fully ionized.
...Radiation, electromagnetic waves, cross ionized gases with great difficulty. When an astronaut is in the re-entry process, his space ship is surrounded by hot, fully ionized gas for several minutes. Then no radio-communication is possible for electromagnetic waves cannot cross the shell of ionized gas which surrounds his ship.
...A light ray is an electromagnetic wave. It acts on free electrons, not on bounded electrons. An ionized gas contains much free electrons. A neutral gas, none. That's why when Universe is warm, ionized, radiation and matter are strongly coupled.
...In matter, the absolute temperature Tm is the measure of the thermal velocity :
(150-b)
where k is the Boltzmann's constant (k = 1.38 10-23).
When :
-
Matter and radiation are closely coupled
-
Radiation dominates ( Standard model t < 500,000 years )
then :
(150c)
but :
(150d)
The Jeans' length obeys :
(150-e)
...The last corresponds to the mass-conservation requirement, during expansion process R(t). We see that the Jeans' length varies like R(t). So, the younger the universe, the smaller the size of the clumps which would tend to form.
...When t < 500,000 years the radiation prevents the clumps forming. But, immediatly after discoupling, matter clumps can form. Let us compute their mass. It is :
(150-f)
...i.e : 100,000 solar masses ( the typical mass of a globular cluster).
...According to this schema the globular clusters would form first, just after discoupling. The galaxies, considerered as sets of such clusters, would appear after, and so on....
...But all this occurs in a fastly expanding universe. We don't know how to compute it, to describe the gravitational instability in an expanding universe. Furthermore ; we don't know how to define Newton's law in an expanding universe.
...As a conclusion we have several schemas for the birth of galaxies. Some believe that stars form first, then galaxies. Others have the inverse opinion ...
...Following this general idea of hierarchic structure, people thought that, if galaxies were organized into clusters of galaxies (Coma, Virgo), at larger size these clusters should belong to some super-clusters. But the observations (1977) bought a completely different structure. See figure (151):
(151)
...The galaxies were arranged around large voids (typically 100 light-years large). At a very large scale (VLS), the universe looks like joint soap bubbles. The clusters of galaxies correspond to the intersection point of three "folds". See figure (152).
...Today, it is still difficult to explain such structures. Following the initial idea of the Russian Zel'dovitch, Mellot carried out 3d numerical simulations. But the obtained cells were not stable in time. They vanish rapidly, except if one stabilizes the system with ad hoc cold dark matter distribution.
...The model matter-repulsive ghost matter gives an alternative interpretation of the phenomenon. See our paper :
J.P.Petit, P.Midy and and F.Landsheat : Matter ghost matter astrophysics. 5 : Results of numerical 2d simulations. VLS. About a possible schema for galaxies' formation. Geometrical Physics A, 8 , 1998.