Dado que el espacio es principalmente vacío, ¿por qué no todos importan, en nuestro caso planetas, estrellas, etc., se dispersan igualmente alrededor del universo?

Respuesta corta : porque la gravedad es una fuerza de largo alcance y, en contraste con la fuerza electromagnética, siempre es atractiva.

Respuesta larga (más de una historia realmente):

El universo fue una vez como lo describe. De hecho, el asunto estaba “igualmente disperso por todo el universo” (el término técnico que utilizamos es homogéneo). Sabemos esto porque podemos verlo. Aquí hay una imagen de nuestro universo infantil, solo 380,000 años después del Big Bang (ahora somos 13.8 mil millones de años después del Big Bang):

Este es el Fondo Cósmico de Microondas (CMB). No se deje engañar con estas fluctuaciones, son alrededor de 1 parte en 100,000. Aquí está la misma imagen antes de cualquier procesamiento:

Bastante homogéneo, ¿verdad? (los bits blanquecinos en el medio son fuentes de radio en nuestra propia galaxia, puedes ignorarlos con seguridad).

¿Entonces qué pasó? ¿Cómo llegó el universo a formar estructuras que actualmente observamos?

La temperatura en el universo temprano era muy alta y la materia estaba ionizada. Los fotones no podían viajar libremente, ya que los electrones libres los dispersaban muy rápidamente (en promedio, un fotón solo podía viajar una fracción de nanómetro antes de dispersarse). Esto significaba que el universo primitivo era opaco, similar a por qué no ves mucho en tu vuelo cuando estás en medio de una nube, a pesar de que hay luz a tu alrededor, y no podemos ver una instantánea anterior de el universo que la imagen de arriba. También significaba que la materia y la radiación estaban acopladas . La radiación ejerce presión sobre la materia. Cuando una sobre-densidad en la distribución de la materia atrae gravitacionalmente la materia y comienza a crecer, la presión de radiación actuaría en la dirección opuesta y la sobre-densidad comenzaría a oscilar entre un valor mínimo y un valor máximo. No se pudieron formar estructuras, y el universo permaneció bastante homogéneo.

A medida que el universo se expandió, se enfrió hasta el punto en que los átomos se formaban a un ritmo más rápido de lo que son destruidos por la radiación (cuando la radiación era de aproximadamente 3000 kelvin). Esto se llama la época de la recombinación (el nombre es muy engañoso, no hay nada al respecto. Pero los astrónomos simplemente no pueden nombrar las cosas correctamente). A medida que los átomos se formaron y capturaron los electrones, los fotones fueron libres de viajar sin obstáculos y nos alcanzaron 13.800 millones de años más tarde, produciendo la imagen de arriba.

Esto significa que poco después de la recombinación, se permite que las sobredensidades en la materia (lo que llamamos perturbaciones de densidad) crezcan atrayendo gravitacionalmente la materia. A medida que crecen las densidades excesivas, también lo hace su efecto gravitacional, y cuanto más rápido crecen más. Por supuesto, la materia también tiene una presión, que ayuda a contrarrestar la gravedad y evita un colapso gravitacional de toda la materia. Pero aún así no es tan eficiente como la presión de radiación en la era previa a la recombinación. Entonces las estructuras crecen gradualmente, de abajo hacia arriba (ver Formación de estructura jerárquica), produciendo galaxias y cúmulos de galaxias que vemos en el universo moderno:

* El cúmulo de galaxias Perseus

La formación de estructuras funciona en escalas cósmicas. Un proceso muy similar funciona en escalas mucho más pequeñas para formar estrellas (y eventualmente planetas) a partir de nubes moleculares dentro de las galaxias. Lo que es crucial en ese proceso es que el núcleo recientemente colapsado se enfría lo suficientemente rápido como para que el colapso continúe hasta la formación de estrellas en la vida típica de las nubes moleculares (alrededor de 10-20 millones de años).

Probablemente debería dejarlo así. Pero me siento culpable por dejar de lado una parte muy importante del rompecabezas: Dark Matter.

Si ejecuta una simulación cosmológica con solo materia y radiación normal (bariónica), comience con condiciones iniciales similares a las que observamos en el CMB, y deje que se ejecute durante 13.800 millones de años (en tiempo de simulación, por supuesto, no en tiempo real. Este tipo de simulaciones en realidad se usa ampliamente en la investigación cosmológica actual), formará estructuras, pero no se parecerá en nada a lo que vemos en el universo actual.

La imagen que comenzó a surgir desde los años 80 (y confirmada por recientes misiones de observación de CMB como WMAP y PLANCK) es que Dark Matter desempeñó un papel importante en la formación de la estructura jerárquica. La materia oscura se desacopla de la radiación mucho antes que la materia bariónica y, por lo tanto, su colapso comenzó antes. Luego formó lo que llamamos la red cósmica, con filamentos y láminas que se cruzan en los nodos que forman las semillas para la formación de cúmulos de galaxias.

Solo cuando incluimos este ingrediente en nuestras simulaciones cosmológicas podemos reproducir (estadísticamente) las características de las galaxias que observamos en el universo moderno.

El vacío no tira, empuja o, de hecho, no hace nada. Simplemente se sienta allí. Cuando las personas hablan sobre la presión de vacío, o algo así, lo que realmente quieren decir es la presión del ambiente a su alrededor sobre el vacío.

Entonces, por ejemplo, si crea un vacío parcial dentro de una lata, séllelo y colóquelo afuera, la lata no experimenta un efecto de succión del vacío, sino el peso total de la atmósfera sin nada que lo empuje. Una vez que algo de igual fuerza empuja en la dirección opuesta, obtienes una fuerza resultante de cero.

Del mismo modo, si un buceador llega a una profundidad de 30o pies en el océano, está experimentando 12 atmósferas de presión adicionales (muy crudamente, cada 25 pies es una atmósfera). Dado que sus pulmones contienen aire que estará en una atmósfera en la superficie, los pulmones se comprimirán hasta que estén a 13 atmósferas, para igualar exactamente la presión sobre ellos. Las fuerzas serán entonces iguales y las leyes de Newton dejan en claro que no puede haber aceleración en ninguna dirección sin una fuerza resultante.

Entonces, de vuelta al espacio. ¿Qué fuerzas hay? Bueno, hay gravedad. La gravedad es una fuerza bastante buena. Tira de las cosas hacia adentro. Si la materia en el universo era originalmente absolutamente uniforme, no una mancha fuera de lugar, entonces la gravedad resultante habría sido cero en todos los puntos y no habría sido posible agrupar objetos. Pero habría sido por esa razón, no por ningún vacío.

Actualmente, no existe una explicación de por qué hubo una variación inicial, ya que no existe una ley física que pueda explicar cómo puede expandir una fuente puntual y obtener algo desigual. Las leyes de la física son independientes del tiempo, no les importa la dirección, solo la segunda ley de la termodinámica se preocupa y eso es solo una propiedad de las estadísticas. Sin embargo, Dark Matter y Dark Energy son probablemente importantes en esto.

Sin embargo, una vez que comenzó la aglomeración, la gravedad habrá hecho inevitable la formación de estrellas, planetas, etc. El proceso de consolidación es irreversible porque el sistema siempre debe ir a su estado de energía más bajo. Un planeta con energía cinética que se mueve hacia adelante se considera un estado de energía más bajo que una nube de polvo alrededor de una partícula ligeramente más densa, donde hay mucha energía potencial. La nube de polvo se derrumba y, debido a que la energía debe conservarse, cualquier energía resultante que no se libere como calor u otras formas de radiación debe convertirse en energía cinética. La radiación es calculable, porque el momento debe conservarse y solo habrá una forma para que todas las partículas colapsen hacia adentro y para que se conserven tanto el momento como la energía. Energía cinética = 1/2 mv ^ 2, momento = mv, la energía y el momento de los fotones se pueden calcular con ecuaciones similares. No tienen masa y la velocidad es un poco atormentada, pero tienen frecuencia y constante de Planck. Eso te permite obtener la energía y el impulso de un fotón.

Como dije antes, todas las leyes físicas conocidas son reversibles en el tiempo. Así es como sabes que hay exactamente una, y solo una, velocidad posible para ese planeta y una, y solo una, dispersión posible de radiación. Porque si recopiló toda esa información, al invertir la dirección en la que resuelve las ecuaciones, siempre obtendrá el estado original y no otro.

(También es por eso que los físicos se pelean a puñetazos sobre si el tiempo existe como una dimensión especial o como una dimensión espacial que simplemente resulta ser ortogonal a las dimensiones en las que podemos mirar. Para saber en qué campamento se encuentra una persona, vea si hablan del universo como 3 + 1 o 4 dimensiones. 3 + 1 significa que consideran el tiempo como distinto, que el espacio-tiempo no es un concepto unificado. 4 significa que consideran el tiempo como otra dirección y que el espacio-tiempo realmente es una cosa y no una notación conveniente)

Entonces, ¿por qué no se dispersan los planetas? Son atraídos gravitacionalmente hacia el sol. Si la órbita es estable, entonces está en su estado de energía más bajo. Si se alejara más, carecería de la energía para continuar saliendo del pozo de gravedad y volvería a caer en la órbita estable. Si se acercara, se movería demasiado rápido y volaría hacia afuera. Una órbita estable ocurre cuando todas las fuerzas se equilibran.

(Por supuesto, la mayoría de los planetas tienen una órbita elíptica, por lo que realmente puedes ver la aceleración y la desaceleración en acción).

¿Por qué las estrellas no se dispersan? Son atraídos gravitacionalmente hacia el cúmulo local de estrellas. El cúmulo local se tira gravitacionalmente hacia el centro de la galaxia. La galaxia se tira gravitacionalmente hacia el centro del cúmulo galáctico. El cúmulo galáctico es atraído gravitacionalmente hacia el grupo local de galaxias. Esto se tira hacia el centro del supercúmulo de galaxias.

En ese punto, las cosas se ponen raras. Como si no fueran lo suficientemente raros.

Los supercúmulos forman una telaraña sobre el universo, con vacíos extraños y misteriosos en los huecos. La comprensión se descompone en este punto y las facturas de la terapia aumentan. Sabemos que hay dos agencias misteriosas en el trabajo: Dark Matter y Dark Energy, de las cuales hay cero entendimiento más allá de saber que la materia ordinaria está en algún lugar alrededor del 5–6% del universo, Dark Matter es 24-24% y Dark Energy Es el resto.

Por “saber”, lo que realmente quiero decir es que cada conjetura hasta ahora que compara lo que vemos con lo que estaríamos viendo en diferentes condiciones requiere que estos números coincidan con la observación. Las teorías pueden estar equivocadas, ha habido suficientes observaciones independientes para asegurarse de que las observaciones sean correctas (aunque no necesariamente la interpretación), las simplificaciones inevitables necesarias para hacer que esto sea computable pueden ser incorrectas. En este punto, sin embargo, no puedo ver otra alternativa que aceptar las cifras. Sin embargo, dado que ninguna de las agencias se entiende, más allá de los valores necesarios para equilibrar las ecuaciones, no es posible decir qué significan realmente en lo que respecta a la estructura a gran escala. Tengo algunas ideas, pero prefiero contarte lo que se sabe que distraerte con lo que puede ser un galimatías.

Los supercúmulos y las Grandes Murallas deben estar atrayéndose entre sí por gravedad, pero las distancias son tan vastas (mil millones de años luz) que lo que experimenta otro supercúmulo será cómo se veía la estructura a gran escala mil millones de años antes. Antes existían muchas de las estrellas en estas estructuras. La latencia es tan grande que es muy difícil saber qué está experimentando algo, o si está experimentando algo. Los fotones pueden pasar a través de la materia oscura y la energía oscura, no interactúa. Nadie está completamente seguro de lo que hacen los gravitones. El hecho de que podamos ver a través de un vacío no garantiza que podamos experimentar la gravedad a través de uno. Esto, por supuesto, arruina los cálculos antes mencionados ya que alteraría la ecuación que está tratando de equilibrar. Si la gravedad solo se puede canalizar a través de la tela de araña de la materia, y no se irradia en todas las direcciones, ensucia los cálculos de campo.

Entonces podemos explicar todo hasta supercúmulos, pero no podemos explicar la distribución de nada más grande que eso.