FORMACIÓN Y EVOLUCIÓN DE LAS PROTOGALAXIAS
Evolución de las fluctuaciones de densidad.
Se define el constraste de densidad d o fluctuación de densidad r respecto a la densidad media rm
d = (r – rm)/ rm = dr/r
Cuando hacemos una descripción matemática de un fluido idealizado en expansión [1] obtenemos los siguientes resultados básicos:
- Perturbaciones de longitud característica menor que la longitud de Jeans oscilan como ondas acústicas. Dicha onda acústica se producirían por el hecho de que los fotones de luz tienden a dispersar la materia mientras que ésta tira gravitatoriamente del entorno, produciéndose dos efectos contrapuestos: cuando la densidad disminuye debido a la acción dispersora de los fotones, su presión pierde eficiencia y empieza a ganar el tirón gravitatorio que vuelve a aumentar la densidad en un ciclo que se autoalimenta a sí mismo, creando estas ondas acústicas.
- Perturbaciones de tamaño característico mayor que el radio de Hubble y mayores que la longitud de Jeans crecen de manera cinemática (la expansión mantiene constante la cantidad dr/(r0+p0) en ciertas coordenadas)
Tipos de perturbación
El comportamiento termodinámico de una perturbación de densidad tiene consecuencias importantes en la evolución de dicha perturbación. Los tipos más importantes son las perturbaciones adiabáticas, isoterma y de isocurvatura.
Una perturbación se denomina isoterma cando las irregularidades de densidad se produce en la materia pero no en la radiación. Una perturbación isoterma sobrevivirá si su tamaño característico es superior a la distancia que las ondas acústicas pueden viajar mientras el universo esté dominado por radiación.
Una perturbación adiabática es aquella en que la perturbación se produce tanto en la materia como en la radiación de tal manera que se cumple que
(dr/r)radiación = 4/3 (dr/r)materia
Una perturbación adiabática sobrevivirá si la escala de masa es suficientemente grande para evitar la difusión por efecto de la presión de la radiación.
Una perturbación de isocurvatura implica que la perturbación en la materia y la radiación se compensan mutuamente
drradiación + drmateria = 0
de tal manera que la perturbación no crece hasta que materia y radiación dejan de interactuar.
Relación con el Fondo Cósmico de Microondas
El proceso físico explicado anteriormente es el mismo que genera las fluctuaciones detectadas en el fondo cósmico de microondas (explicadas en esta página). El fondo cósmico de microondas está formado por fotones que abandonaron el plama alrededor de z = 1000 y en los que quedaron impresas las huellas de las perturbaciones de densidad en el gas.
El hecho de que los fotones hayan abandonado la perturbación esférica de 150 Mpc produce un máximo de variación de la temperatura del fondo cósmico entre dos regiones del cielo separadas angularmente algo menos de 1º.
Sin embargo, conviene considerar dos diferencias básicas.
- Los fotones están afectados por un efecto Doppler gravitatorio denominado efecto Sachs-Wolf que es el efecto dominante en perturbaciones mayores de 150 Mpc.
- Los fotones que observamos proceden de la superficie de último scattering que sólo tenía una 20 Mpc de espesor, por lo que sólo «vemos» un trozo de 20 Mpc de la esfera de gas de 150 Mpc de radio.