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La struttura a grande scala dell'universo.
Se il secondo universo vede la sua espansione contrastata dal nostro, rallentata, la sua densità
r
- si mantiene a un valore più elevato, così come la sua temperatura. Si decide allora 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 che, attraverso l'instabilità gravitazionale, darà origine a conglomerati di materia fantasma.
Cos'è l'instabilità gravitazionale, studiata per la prima volta da Sir James Jeans, già citato.
Consideriamo un mezzo con densità r 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
Questo 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. Questi atomi si attraggono. Quel grumo tenderà a collassare 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 allora questi due tempi.
Ci sarà condensazione di una perturbazione se il tempo di accrescimento è inferiore al tempo di autodispersione, a causa dell'agitazione termica.
Le perturbazioni con diametro superiore a una lunghezza caratteristica, detta lunghezza di Jeans Lj, si amplificheranno e daranno origine a condensati, a conglomerati di materia (clumps).
Quando si forma questo "grumo" di materia, la materia viene compressa, riscaldata. Le forze di pressione aumentano e alla fine fermano il processo.
Questo si chiama
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'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 redshift mostra che si tratta di oggetti molto antichi (confermato dall'età delle stelle più vecchie della galassia). Non sappiamo gestire tutto questo 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 fortemente con gli elettroni liberi (scissi dagli atomi) che con gli elettroni orbitanti attorno ai nuclei.
I fotoni, a loro modo, formano "un gas". Durante l'espansione questo si espande, come la materia, e possiede la sua pressione propria, 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 al centro 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 la tendenza 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, avviene 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 pensava che questo processo si sarebbe ripetuto su scala superiore, dando origine all'idea di superammassi, ammassi di ammassi.
L'osservazione ha rivelato qualcosa di completamente diverso. In realtà le galassie si distribuiscono formando ciò che potremmo chiamare delle "bolle di sapone concatenate". Gli ammassi di galassie sono solo i "nodi" di una tale distribuzione. Di seguito, i risultati 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 centinaia di 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 dissipavano 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 durata, puramente relativa, "consolidandole" con "materia oscura fredda".
Esiste un modo geometrico di interpretare questa distribuzione di masse puntiformi: materia ordinaria respinta da conglomerati di materia fantasma, disegno già mostrato in precedenza.
Si considera 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 delle regioni posicoliche: punti di curvatura positiva concentrata.
Qui presentiamo un altro modello, che corrisponderà alla sezione seguente.
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