Desacoplamiento materia - radiación

Transcurridos los 20 primeros minutos de vida, el universo aparece constituido por protones, núcleos de helio y en menor proporción de Li y Be, electrones y fotones. Debería haber también materia obscura no ordinaria. Los fotones siguen interaccionando intensamente con los electrones libres, de manera que no podían recorrer un camino muy largo sin encontrar un electrón y experimentar un proceso de difusión. Cuando ocurre este fenómeno se dice que la materia es opaca a la radiación y que ambas están acopladas. No existen condiciones para la supervivencia de los átomos neutros ya que las altas temperaturas provocarían rápidamente su ionización.

El proceso de expansión continua reduciendo la temperatura. La densidad de radiación, predominante desde los muy primeros instantes, disminuye y alcanza valores inferiores a la densidad de materia cuando la edad del universo es de unos 300000 años y su temperatura 3500 K. Los núcleos existentes capturan los electrones, en un proceso denominado recombinación, para formar átomos que en estas condiciones son ya estables.

Estos procesos provocan una profunda modificación de las condiciones químicas del medio permitiendo que los fotones puedan recorrer libremente el universo, que se hace transparente a la luz. En un instante muy próximo al de este suceso, ocurre la emisión de la radiación de fondo en microondas. Emitida inicialmente en el infrarrojo cercano, la expansión del universo ha disminuido su temperatura hasta los 2.7 K que tiene en la actualidad, por lo que su observación sólo es posible el dominio de las microondas. Por lo demás su forma y propiedades permanecen inalteradas. Así, está verdadera radiación fósil guarda una información preciosa sobre las propiedades del universo primordial.

La radiación de fondo es pues la luminaria que anuncia el inicio de una nueva etapa de la vida del universo, la era material, donde reinan unas condiciones que favorecen la creación de grandes estructuras estables como las galaxias, cúmulos de galaxias y estrellas que configuran el aspecto de nuestro universo observado. La figura 3 esquematiza las distintas etapas de la vida del universo.

FORMACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS MATERIALES

El universo es homogéneo a escalas superiores a los 600 millones de años luz (al). A escalas más pequeñas existen estructuras jerarquizadas que comienzan con los planetas y estrellas continúa con los pequeños cúmulos globulares (3 al ), galaxias ( de 30000 a 300000 al ) y culmina con los cúmulos (30 millones de al) y supercúmulos de galaxias (300 millones de al ). Estos últimos forman vallas rodeando amplios espacios vacíos con tamaños que pueden llegar a ser de 300 a 600 millones de al. A escalas mayores la exploración y recuento de galaxias muestra la existencia de un alto grado de isotropía, que es confirmada por la radiación de fondo en microondas.

Recordemos ( Tema 3 ) que el satélite COBE encontró variaciones en la radiación de fondo en microondas que son del orden de una parte por cien mil. Aun cuando son muy pequeñas tienen una gran importancia ya que proporcionan claves para explicar el nacimiento de las grandes estructuras materiales. Las pequeñas distorsiones son interpretadas como fluctuaciones de densidad ocurridas en los muy primeros instantes de la vida del universo, posiblemente en la era inflacionaria. Consecuencia de este fenómeno es la acumulación de materia que crece por la atracción de materia circundante. Como el incremento local de presión impide la compresión del material, la amplitud crece con el tiempo. Esta situación continua siempre y cuando el tamaño de la perturbación no supere un valor crítico que depende, entre otros parámetros, de la temperatura, que es muy alta durante el periodo del universo dominado por la radiación.

Al concluir la recombinación y entrar en la era material, la nuevas condiciones físico-químicas del universo producen una disminución substancial del tamaño crítico de las fluctuaciones que adquiere valores cercanos a los 100 años luz. Como este valor es inferior a la longitud de las fluctuaciones, resulta un régimen de inestabilidad que provoca la fragmentación del medio material en nubes que tienen un tamaño de unos 100 años luz y un millón de veces la masa del Sol.

Para algunos investigadores el colapso gravitacional de la nube habría dado lugar a una generación de superestrellas masivas que evolucionaron rápidamente explotando como gigantescas supernovas. La alteración experimentada por el medio produjo el incremento de la longitud crítica hasta valores similares al diámetro de las galaxias o de los cúmulos de galaxias.

No hay acuerdo sobre las estructuras originadas en las fragmentaciones subsiguientes. Algunos especialistas consideran que primero ocurriría la formación de las galaxias, que más tarde se agruparían en cúmulos de galaxias. Un proceso favorecido por las elevadas densidades que existían en los primeros momentos del universo material. Otros, asumen que la fragmentación produciría nubes de tamaño similar al de los cúmulos que darían lugar, por colapso, a las galaxias miembros.

Sobre lo que si parece existir acuerdo es que la formación de elípticas y espirales ha seguido unas vías diferentes. En las espirales el colapso es muy rápido, de caída libre y dura unos cien millones de años. El material, gas difuso, acaba depositado en una capa delgada en el plano ecuatorial formando un disco, donde los movimientos aleatorios han de ser pequeños. El material de disco puede crecer lentamente durante la vida de la galaxia por acreción o transferencia del gas de otra galaxia. Antes de que la construcción de la galaxia este completada tiene lugar la formación de las estrellas en los cúmulos globulares del halo y más tarde en el disco. De esta manera queda explicada la mayor edad de las primeras.

En las galaxias elípticas el colapso es más lento. Hay sin embargo hipótesis que atribuyen su origen a la fusión de dos o más galaxias. Cuando una galaxia captura otra más pequeña, las estrellas de esta última quedan incorporadas a la población estelar de la primera. Sin embargo es difícil explicar con estos procesos la existencia de galaxias elípticas pequeñas.

No conocemos de modo preciso en que instante del universo material tuvo lugar la formación de las grandes estructuras que observamos actualmente, pero podemos establecer un límite inferior de la manera siguiente. Cuando retrocedemos en el tiempo, la distancia entre las galaxias, y cúmulos de galaxias, son progresivamente más pequeñas. Por ejemplo la separación típica de las galaxias es del orden de 100 veces su diámetro, en consecuencia para desplazamientos al rojo de z = 100 o inferiores, las galaxias debieron estar en contacto. Una situación imposible. La cosmología estándard muestra que para z = 100 la edad del universo debió ser mil veces más pequeña que la actual, unos 15 mil millones de años. De manera que la aparición de las grandes estructuras en su forma actual debió ocurrir cuando la edad del universo superó los 15 millones de años.