Expansión cosmológica alrededor de cuerdas entre galaxias

Question

En Cosmología FLRW es una aproximación justa de la expansión cosmológica para el espacio entre galaxias y cúmulos, sin embargo dentro de las propias galaxias, se sabe que no se mantiene, y de hecho las restricciones observacionales limitan la expansión dentro de las galaxias a ser insignificante.

Es interesante reflexionar sobre otros casos límite entre la dinámica cosmológica expansiva y la no expansiva. Por ejemplo, consideremos la expansión asintótica de tomar un cúmulo de galaxias y conectarlas con tubos o zarcillos de materia de cierto grosor y densidad. Parece que tal construcción puede hacerse de modo que desplace un porcentaje insignificante de masa de las galaxias a los tubos. En resumen evolución geométrica de una red conectada de galaxias .

Cualitativamente, la expansión cosmológica a largo plazo de tales cúmulos parecería tener algunas posibilidades distintas:

1. O bien los zarcillos no pueden hacerse lo suficientemente gruesos/densos para ser lo bastante estables a lo largo de eras cosmológicas, y seguir considerándose esencialmente unidimensionales, en relación con las escalas bidimensionales de las propias galaxias en forma de disco. Por lo tanto, se expandirán y diluirán con el tiempo.
2. zarcillos puede si se hacen lo suficientemente estables, permanecerán de densidad constante igual que las galaxias, pero esto perturba topológicamente la aproximación FLRW, de tal manera que inhibe la expansión cosmológica en el espacio intergaláctico circundante relativamente vacío entre los nodos de la galaxia, y sus bordes de zarcillo.
3. zarcillos puede Sin embargo, no pueden alterar la aproximación FLRW en el espacio intergaláctico relativamente vacío que las rodea, lo que significa que este espacio sigue expandiéndose como burbujas, desviándose con el tiempo de ser aproximadamente plano y convirtiéndose en una burbuja. Vacío asintóticamente hiperbólico alrededor de las galaxias y sus cuerdas de conexión.

Pregunta: ¿cuál es el comportamiento cualitativo correcto que debemos esperar en este tipo de distribuciones cosmológicas de materia?

Más aclaraciones: Para que la definición de vacío hiperbólico quede clara en este contexto, consideremos un grafo ABCD de cuatro galaxias que representan las aristas secuenciales de un cuadrado. La luz viaja entre estas 4 galaxias en un tiempo finito a través de los tubos, pero la luz que atraviesa directamente de A a C o de B a D en la línea de visión a través del vacío intergaláctico nunca alcanzará el otro lado (podría expandirse más rápido que la luz en algún momento, dependiendo de la evolución de la energía oscura).

Answer 1

Se equivoca. La masa no desactiva misteriosamente la expansión. Simplemente hay un régimen de distancia (para una masa dada) para el que la gravedad domina el efecto combinado de la gravedad y la expansión.

Considerar el problema en una sola dimensión:

Dado $x'' = H^2x - GM/x^2$ para constantes H, GM, hay un cierto régimen de pequeñas $x$ en el que domina el último término y el primero puede aproximarse a cero. En unidades del SI, a escala de galaxias, $H^2$ es un número minúsculo (el factor de Hubble al cuadrado tiene un orden de $10^{-36} s^{-2}$ ) y $GM$ es un número enorme ( $GM_{galaxy}$ tiene un orden de $10^{32} m^3s^{-2}$ ), por lo que el régimen para el que $x$ cuenta como "pequeño" es también un número enorme: del orden de $10^{22} m$ para conseguir que el término de expansión sea 1/100 tan grande como el término de gravedad; un orden de magnitud más de distancia y la expansión empieza a superar a la gravedad. Por tanto: deberíamos predecir que los cúmulos de masa del orden de la masa de las galaxias deberían retener satélites dentro de distancias de aproximadamente $10^{22}m$ a $10^{23} m$ . Fuera de esa distancia, la expansión debería dominar, dando lugar a separaciones grandes y generalmente crecientes entre grupos de masas.

Esta predicción coincide con la realidad. El Grupo Local de galaxias (con una masa del orden de 10 veces la de la Vía Láctea) es algo menor que $10^{23}m$ de diámetro y su tamaño es típico.

Es poco probable que si la masa tuviera una misteriosa interacción desconocida que desactivara la expansión dentro de un radio determinado, la realidad resultara ser exactamente lo que predeciríamos simplemente sumando la aceleración de coordenadas newtoniana debida a la gravedad a la aceleración de coordenadas debida a la expansión de Hubble y comparando qué términos dominan sobre qué dominios.

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Notas

Al utilizar sólo un término para la gravedad, estoy suponiendo que la segunda masa es mucho menor que la primera. Sin embargo, incluso suponiendo que utilizáramos dos masas iguales, tendría poco impacto en una estimación del orden de magnitud.

Cualquier galaxia puede utilizarse como origen para el problema unidimensional. Si ampliamos el problema a tres dimensiones, se puede utilizar como origen cualquier trayectoria inercial, aunque si se elige una que no coincida con el centro de una galaxia, los cálculos resultarán complicados.