universi gemelli
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La struttura a grande scala dell'universo.
...Se il secondo universo vede la sua espansione ostacolata dal nostro, rallentata, la sua densità r* vi si mantiene a un valore più elevato, così come la sua temperatura. Si decide quindi di studiare l'instabilità gravitazionale in un sistema composto da due popolazioni, autoattrattive, ma che si respingono reciprocamente.
...Secondo la teoria, è quella più densa a reagire più rapidamente e in modo più deciso. È proprio lei a dare, attraverso l'instabilità gravitazionale, aggregati di materia fantasma.
...Cos'è l'instabilità gravitazionale, studiata per la prima volta da Sir James Jeans, già citato.
...Consideriamo un mezzo che possiede una densità r e i cui elementi sono animati da una certa velocità di agitazione termica Vth e proponiamoci di studiare la crescita o la dissoluzione di eventuali perturbazioni di densità. Supponiamo che, in qualche punto, si sia formata una sovradensità di diametro f.
...L'agitazione termica tenderà naturalmente a dissipare questa perturbazione. In quanto tempo? In un tempo dell'ordine di
...È il tempo che impiega un atomo a percorrere la distanza f, quindi è anche il tempo che impiegherà quel grumo a raddoppiare il suo diametro.
...Immaginiamo che la velocità di agitazione sia nulla. Quegli atomi si attraggono. Quel grumo tenderà a crollare su se stesso. Si sa calcolare il tempo necessario perché si contragga. In realtà, una "nuvola di polvere" che collassa su se stessa assomiglia al Big Bang, al contrario:
...Si confrontano quindi questi due tempi.
...Ci sarà condensazione di una perturbazione se il tempo di accrescimento è inferiore al tempo di auto-dissipazione, a causa dell'agitazione termica.
...Le perturbazioni di diametro superiore a una lunghezza caratteristica, detta lunghezza di Jeans Lj, si amplificheranno e daranno luogo a condensati, aggregati di materia (clumps).
...Quando si forma questo "grumo" di materia, la materia viene compressa, riscaldata. Le forze di pressione aumentano e alla fine bloccano il processo.
...Si chiama questo fenomeno instabilità gravitazionale o instabilità di Jeans.
Riguardo al modello standard, si potrebbe pensare:
- Molto bene. Dopo il Big Bang, l'universo, in espansione, si raffredderà, e l'attivazione dell'instabilità gravitazionale mi permetterà di elaborare uno scenario per la nascita di galassie e stelle.
...Se fosse così semplice, sarebbe già stato fatto. In realtà non abbiamo alcun modello della nascita di galassie. Alcuni "credono" che gli ammassi stellari si siano formati per primi, poi le galassie, poi le stelle. Altri sostengono l'opinione opposta.
...Inoltre, tutto ciò avviene in un universo ancora in espansione intensa. La rilevazione di galassie con alto spostamento verso il rosso mostra che si tratta di oggetti molto antichi (confermato dall'età delle stelle più vecchie della galassia). Non sappiamo gestire tutto ciò in modo teorico.
Ma sappiamo due cose:
1: Questa instabilità gravitazionale non può svolgere il suo ruolo finché il gas di materia rimane fortemente legato al "gas di fotoni", finché l'universo rimane ionizzato. Infatti i fotoni interagiscono più intensamente con gli elettroni liberi (sfuggiti dagli atomi) che con gli elettroni che orbitano attorno ai nuclei. I fotoni, a loro modo, formano "un gas". Durante l'espansione, questo si espande come la materia e possiede la sua propria pressione, detta pressione di radiazione. Quando materia e fotoni sono fortemente accoppiati, quando una massa di gas ionizzato tende a contrarsi, trascina con sé questo gas di fotoni.
- Ma i fotoni viaggiano alla velocità della luce! Come può una massa di gas di dimensioni finite "intrappolare i fotoni"?
...Intrappolare, inteso. In questa massa di gas i fotoni sono continuamente assorbiti e riemessi. A causa di queste assorbimenti-riemissioni, i fotoni faticano molto a uscire da questa massa gassosa. È in questo senso che sono trattenuti prigionieri (e lo stesso vale per i fotoni emessi nel cuore del Sole, che transitano con grande difficoltà e lentamente verso la superficie).
...Quando l'universo ha meno di 500.000 anni, non solo la radiazione è intrappolata nelle masse di gas ionizzate che avrebbero avuto tendenze a formare grumi, ma la pressione di radiazione è ancora troppo elevata per consentire queste condensazioni.
Conclusione: omogeneità dell'universo, o quasi omogeneità fino a t = 500.000 anni, secondo il modello standard. Se accade qualcosa, lo fa dopo.
2: Esistono stelle raggruppate in galassie, che a loro volta costituiscono una struttura a grande scala. Alcune galassie si raggruppano a loro volta in ammassi (ammasso di Coma, ammasso di Vergine) di un migliaio di individui. All'inizio si credeva che questo processo si sarebbe esteso a scale superiori e si era avanzata l'idea dell'esistenza di superammassi, ammassi di ammassi.
...L'osservazione ha rivelato qualcosa di completamente diverso. In realtà, le galassie si distribuiscono formando ciò che potremmo chiamare "bolle di sapone concatenate". Gli ammassi di galassie non sono altro che i "nodi" di una tale distribuzione. Di seguito, il risultato dell'analisi delle osservazioni (1977).
...Così le galassie si distribuiscono su grande scala (Very Large Structure) attorno a grandi bolle di vuoto il cui diametro caratteristico è dell'ordine di cento milioni di anni-luce.
...Seguendo un'altra strada, alcuni ricercatori hanno tentato di ricostruire tali strutture partendo da una distribuzione uniforme di materia (in un solo universo, ovviamente). La teoria iniziale era quella della crescita di perturbazioni piane, a strati (i "pancake" di Zel'dovich). Ma i risultati si sono rivelati deludenti. Le simulazioni al computer davano effettivamente alcune celle, ma queste si dissolvono rapidamente a causa dell'agitazione termica. Al momento non esiste una teoria convincente per la formazione di tali strutture. Al massimo si riesce a garantirne una certa permanenza, relativa, consolidandole con "materia oscura fredda".
...Esiste un modo geometrico di interpretare questa distribuzione di punti-massa: materia ordinaria respinta da aggregati di materia fantasma, disegno già mostrato in precedenza.
...Si consideri una superficie che corrisponderebbe a una rete posata su pali da tenda, con punte arrotondate. Osserviamo che più le punte dei pali sono arrotondate, più il grumo di materia fantasma sarà esteso. Situazione opposta se i pali sono più affilati. Al limite di pali infinitamente affilati corrisponderebbero regioni posicoliche: punti di curvatura positiva concentrata.
...Qui presentiamo un altro modello, che corrisponderà alla sezione seguente.
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