Cosmologie Gémellaire 2: La structure à grande échelle de l'univers

Si le second univers voit son expansion contrariée par le nôtre, ralentie, sa densité r* s'y maintient à une valeur plus élevée, de même que sa température. On décide alors d'étudier l'instabilité gravitationnelle dans un système composé de deux populations, auto-attractives, mais qui se repoussent mutuellement.
...Selon la théorie, c'est la plus dense qui réagit le plus rapidement et de la manière la plus musclée. C'est elle qui donnera, par instabilité gravitationnelle, des conglomérats de ghost matter. 
 
...Qu'est-ce que l'instabilité gravitationnelle, étudiée pour la première fois par Sir James Jeans, déjà cité.
...Considérons un milieu qui possède une densité r et dont les éléments sont animés d'une certaine vitesse d'agitation thermique Vth et proposons-nous d'étudier la croissance ou la dissipation d'éventuelles perturbations de densité. On suppose que, quelque part, s'est formée une surdensité d'un diamètre f .

...L'agitation thermique va tendre à dissiper naturellement cette perturbation. En combien de temps ? En un temps qui sera de l'ordre de

...C'est le temps que met un atome à parcourir la distance f, donc c'est aussi le temps que mettra ce grumeau a doubler son diamètre.
...Imaginons que la vitesse d'agitation soit nulle. Ces atomes s'attirent. Ce grumeau aura tendance à tomber sur lui-même. On sait calculer le temps mis pour qu'il se contracte. En fait, un "nuage de poussière" qui implose sur lui-même ressemble au Big Bang, à l'envers :

...On compare alors ces deux temps.
...Il y aura condensation d'une perturbation si le temps d'accrétion est inférieur au temps d'auto-dispersion, sous l'effet de l'agitation thermique.

...Les perturbation d'un diamètre supérieur à une longueur caractéristique, dite longueur de Jeans Lj , s'amplifieront et donneront des condensâts, des conglomérats de matière (clumps). .
...Lorsque ce "grumeau" de matière se forme, la matière se trouve comprimée, échauffée. Les forces de pression s'accroissent et finissent par stopper le processus.
...On appelle cela l'instabilité gravitationnelle ou instabilité de Jeans .
  
S'agissant du modèle standard, on pourrait se dire :
- Très bien. Après le Big Bang, l'univers, en expansion, va se refroidir, et la mise en œuvre de l'instabilité gravitationnelle va me permettre d'élaborer un scénario de naissance des galaxies et des étoiles.
...Si c'était si simple, ça serait déjà fait. En vérité on a aucun modèle de naissance de galaxie. Certains "croient" que les amas d'étoiles se sont d'abord formés, puis les galaxies, puis les étoiles. D'autres prônent l'opinion inverse.
...De plus tout ceci se déroule dans un univers en expansion encore intense. La détection de galaxies à très fort red shift montre qu'il s'agit d'objets très anciens (confirmé par l'âge des plus vieilles étoiles de la galaxie). On ne sait pas gérer tout cela théoriquement.
Mais on sait deux choses :
1 : Cette instabilité gravitationnelle ne peut jouer son rôle tant que le gaz de matière reste fortement lié au "gaz de photons", tant que l'univers reste ionisé. En effet les photons interagissent plus fortement avec les électrons libres (échappés des atomes) qu'avec les électrons orbitant autour des noyaux. Les photons, à leur façon, forment "un gaz". Lors de l'expansion celui-ci se décomprime, comme la matière et possède sa propre pression ou pression de radiation . Lorsque matière et photons sont fortement couplés, lorsqu'une masse de gaz ionisé tend à se contracter, elle entraîne ce gaz de photons avec elle.
- Mais les photons vont à la vitesse de la lumière ! Comment une masse de gaz de dimension finie peut-elle "emprisonner des photons" ?
...Emprisonner, s'entend. Dans cette masse de gaz les photons sont sans cesse absorbés et réémis. Au rythme de ces absoptions-rémission les photons ont beaucoup de mal à quitter cette masse gazeuse. C'est en ce sens qu'ils y sont retenus prisonniers (et c'est la même chose pour les photons émis au coeur du soleil, qui transitent très péniblement et très lentement vers sa surface).
...Quand l'univers est âgé de moins de 500.000 ans, non seulement le rayonnement se trouve piégé dans les masses de gaz ionisées qui auraient des vélléités de former des grumeaux, mais la pression de radiation est encore trop élevée pour autoriser ces condensations.
Conclusion : homogénéité de l'univers, ou quasi homogénéité jusqu'à t = 500.000 ans, selon le modèle standard. S'il se passe quelque chose, c'est après.
  
2 : Il existe des étoiles, rassemblées en galaxies, elles-même constituant une structure à grande échelle. Certains galaxies se rassemblent elles-mêmes en amas (amas Coma, amas Virgo) d'un millier d'individus. On avait cru au début que ceci se poursuivrait à une échelle supérieure et lancé l'idée d'existence de superamas, d'amas d'amas.
...L'observation a révélé quelque chose de totalement différent. En fait les galaxies se distribuent en formant ce qu'on pourrait appeler des "bulles de savon jointives". Les amas de galaxies ne sont que les "noeuds" d'une telle distribution. Ci-après, le résultat du dépouillement des observations (1977).



...Ainsi les galaxies se distribuent, à très grande échelle (Very Large Structure) autour de grandes bulles de vide dont le diamètre caractéristique est de l'ordre de la centaine de millions d'années-lumière.
...En suivant une autre approche, des chercheurs ont tenté de reconstituer de telles structure, en partant d'une distribution uniforme de matière (dans un seul univers, évidemment). La théorie initiale était celle de la croissance de perturbations planes, en crêpes (les "pancakes" de Zel'dovitch). Mais les résultats s'avérèrent décevant. Les simulations sur ordinateurs donnaient bien quelques cellules, mais celles-ci se dissipaient rapidement, par agitation thermique. Actuellement il n'existe pas de théorie convainquante de la formation de telles formations. Tout au plus parvient-on à assurer leur pérennité, toute relative, en les "consolidant" avec "de la matière sombre froide".
...Il existe une façon géométrique d'interpréter cette distribution de points-masses : matière ordinaire repoussée par des des conglomérats de matière fantôme, dessin qui a déjà été donné plus haut.

...On considère une surface qui correspondrait à une toile posée sur des piquets de tente, à l'extrémité émoussée. Notons au passage que plus l'extrémité de nos piquets seraient émoussée, plus le grumeau de matière fantomatique serait étendu. Situation opposée si ces piquets sont plus pointus. A la limite des piquets infiniment pointus correspondraient à des régions posicôniques : à des points de courbure positive concentrée.
...Donnons ici un autre modèle, qui va correspondre à la section suivante.