Intermezzo cosmologico – II

Nell’articolo scorso abbiamo imparato cosa sono le strutture su grande scala dell’Universo (LSS): ammassi e superammassi di galassie. Osservando le tante immagini provenienti dai telescopi terrestri e spaziali, viene da chiedersi come tali strutture abbiano fatto a formarsi. E poi, si sono formate prima loro oppure prima le galassie? In altre parole: strutture più piccole di sono messe assieme a strutture più grandi oppure le strutture più grandi si sono frammentate in quelle più piccole?
Ebbene, è universalmente riconosciuto da qualche anno a questa parte che lo scenario standard per la formazione delle strutture è il primo caso: strutture più piccole si uniscono per dare vita a giganteschi sistemi cosmici. Tale scenario viene detto, in gergo, bottom-up, con ovvio significato dei termini. Ma qual è il meccanismo fisico che governa la formazione di questi oggetti? E’ l’instabilità gravitazionale. Dedicherò questo articolo alla spiegazione, spero intuitiva, di questo importante fenomeno.
Per illustrare l’instabilità gravitazionale partiamo considerando un certo quantitativo di fluido (che può essere gas, liquido, solido, insomma, un insieme di particelle). Facciamo finta che questo fluido sia composto da particelle che sono molto lontane l’una dall’altra: in questo modo la probabilità che avvengano collisioni tra queste particelle è quasi zero. Tuttavia esse non sono ferme ma hanno una certa velocità. Se supponiamo che queste particelle non interagiscano con la luce e le altre forze ma solo con la gravità e non siano annoverate come particelle note, abbiamo in mano un bel po’ di materia oscura: nell’Universo questa materia è decisamente più abbondante (cioè ce n’è di più) di quella ordinaria. Questo significa che la formazione delle LSS che osserviamo è guidata dalla materia oscura.
Avendo dunque tra le mani questa materia oscura, facciamo un esperimento ideale: ipotizziamo che essa formi un mare e mettiamoci a navigare in una certa direzione. Come nel caso terrestre, il “mare oscuro” avrà sulla sua superficie delle onde ma, a differenza del nostro mare, quello oscuro è tale che lo spazio tra un’onda e l’altra è una zona dove la sua densità è più alta, mentre il contrario avviene sulle creste. Chiaramente, a metà via tra le creste e il fondo, la densità delle particelle di materia oscura è la stessa ed è quella media.
Questa immagine che abbiamo in testa adesso dobbiamo ri-elaborarla in tre dimensioni: non più la superficie è “ondulata”, ma l’intero spazio lo è. So che l’astrazione è difficile per cui non mi spingo oltre: ma è bene sapere che viviamo in 3 dimensioni e per poterlo immaginare senza problemi dovremmo vivere in 4 dimensioni spaziali. Ci viene sempre facile rappresentare qualcosa che abbia almeno una dimensione in meno dello spazio! Un’altra analogia potrebbe essere quella del campo di temperatura: in una stanza la temperatura varia da punto a punto dello spazio (3D). In media sono tot gradi, ma in alcuni punti sono tot+1 in altri saranno tot-1, e così via. Ci sono cioè delle fluttuazioni di temperatura.
Le onde del mare oscuro sono pertanto fluttuazioni o perturbazioni di densità. Prendiamo una di queste fluttuazioni: nello spazio 3D consideriamo una sfera di un certo raggio che sia in media più densa del resto. Un po’ come la sorpresa dentro le uova di Pasqua: le sorprese sono più dense dell’aria nell’uovo! A questo punto ci sono due possibilità per la nostra perturbazione sferica: la prima è che le velocità delle particelle di materia oscura sono talmente veloci da “scappare” dalla sfera, ovvero da cancellare la perturbazione e far ritornare la zona con una densità uguale a quella media. L’altra possibilità è che la densità più alta attiri altre particelle per effetto della gravità e la zona si ingrandisce fino a formare una struttura in equilibrio. In sostanza questa è l’instabilità gravitazionale e, perché avvenga, sono necessarie delle condizioni specifiche.
In primo luogo entra in gioco la dimensione della sfera: se questa è piccola prevalgono le velocità mentre se è grande prevale la gravità.
Per calcolare esattamente l’effetto sul campo di densità della materia oscura, occorre studiare il fluido stesso con le apposite equazioni fluidodinamiche: quello che si trova è che se la dimensione della sfera supera un valore critico, la gravità domina e l’evoluzione della perturbazione è tale da crescere esponenzialmente con il passare del tempo.
Ogni volta che siamo in questo limite si ha la formazione di una qualche struttura e la lunghezza di scala critica è detta scala di Jeans, e separa i due regimi.

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Una Risposta to “Intermezzo cosmologico – II”

  1. Dora Says:

    Finalmente è arrivata la 2a parte, la attendevo con ansia, l’argomento è davvero appassionante!!!
    La tua esposizione è svolta in modo molto chiaro, si sente che sono tutte informazioni che hai interiorizzato e che sei quindi in grado di spiegare in modo eccellente e semplificato anche a persone che si accostano all’argomento per le prime volte.
    Direi che davvero dovresti prendere in considerazione l’insegnamento!!

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