¿Cuál es el proceso por el cual las fluctuaciones de densidad que se detectaron en el CMB evolucionaron hacia las primeras estrellas?

Las fluctuaciones en el CMB a las que te refieres son sobredensidades y subdensidades en la distribución de materia del universo primitivo (entre otras cosas). Una sobredensidad es donde una región del espacio tiene una distribución de materia más densa que el valor promedio del resto del espacio. Literalmente, la densidad está por encima del valor de fondo.

Si la distribución de masa del universo hubiera sido perfectamente uniforme, no habría fuerza gravitatoria neta sobre nada porque una cantidad igual de masa en todas las direcciones tendría un efecto de cancelación neta. Sin embargo, cuando hay sobredensidades y subdensidades, la distribución desigual permite que haya centros de gravedad locales. Recuerda que la gravedad viaja a la velocidad de la luz. Recuerde también que la inflación (que ocurrió mucho antes de la recombinación) aumentó el tamaño del universo en un factor de aproximadamente$e^{60}$en$10^{-34}s$. Entonces, prácticamente las únicas cosas de las que un objeto podría sentir una fuerza gravitacional después de eso fueron aquellas que estaban dentro del radio que la luz podría haber viajado después de la inflación. Esto significa que en$380,000$años, sólo cosas hasta aproximadamente$380,000$a años luz de distancia podría tener alguna influencia en algo (esa es una región de unas pocas galaxias). Si estas pequeñas regiones tuvieran más masa agrupada en un área que en otra (podrían estar en un lado de la "colina" de una de las grandes sobredensidades que se ven en el CMB, por ejemplo), la materia gravitaría hacia esos centros. . Obviamente, la materia dentro de unos pocos años luz alcanzaría los centros de gravedad antes que la materia a miles de años luz de distancia, así que lo que encuentras es que pequeños cuerpos comenzaron a formarse en las regiones demasiado densas.

Es posible que estos primeros cuerpos pequeños no tuvieran suficiente masa para convertirse en estrellas, pero a medida que pasaba el tiempo y la esfera de influencia gravitacional se extendía hacia afuera, al menos formaron núcleos locales dentro de regiones más grandes y densas. A medida que caía más materia en cada sistema (y algunos cuerpos también caían juntos y se convertían en uno), finalmente se hicieron lo suficientemente grandes como para formar estrellas.

La formación de las primeras estrellas a los 50 millones de años también significó que ahora la influencia de la gravedad se extendiera aún más, a más de 50 millones de años luz. Con esto, surgieron patrones más grandes en la densidad de la materia; el centro de gravedad de una región sobredensa se desplazaría en algunos casos. Esto significa que las estrellas y otros cuerpos también comenzaron a juntarse alrededor de estos centros y formaron sistemas estelares.

A medida que pasa el tiempo, este proceso continúa con la influencia gravitacional extendiéndose más y más, revelando más y más la forma de las sobredensidades y subdensidades en la distribución de la materia a los objetos dentro de ellos. Las estrellas y los grupos básicos de estrellas se juntaron para formar protogalaxias ("proto-" puede traducirse como "bebé"). Las protogalaxias eventualmente se juntaron para formar galaxias, que luego formaron cúmulos de galaxias, supercúmulos y (a la que actualmente es la escala más grande) filamentos galácticos .

Por supuesto, no te hagas la idea de que son solo el hidrógeno y el helio que flotan los que causaron que toda la gravedad hiciera que las primeras estrellas cayeran juntas. La materia oscura era extremadamente importante. Proporcionó la mayor parte de la masa en sobredensidades y realmente es la semilla del colapso gravitacional en todos los objetos interesantes que vinieron después.

Entonces, para responder a sus preguntas, la gravedad hizo que las primeras estrellas se formaran después de la recombinación. Y tienes razón, los puntos calientes en el CMB son demasiado grandes para haberse formado directamente en estrellas, pero afortunadamente la gravedad no es instantánea y viaja a la velocidad de la luz, solo pequeñas regiones podrían comunicarse entre sí al principio, lo que permitió que se formaran objetos pequeños primero y permitió que se formaran estrellas a medida que la influencia gravitacional se extendía hacia el exterior. Por lo tanto, las estructuras de pequeña escala se formaron antes que las de gran escala y las muchas estructuras ligadas gravitacionalmente que vemos hoy en el universo pudieron formarse naturalmente.

Las fluctuaciones que se ven en el CMB son espacialmente demasiado grandes para colapsar en estrellas. Son los protocúmulos y proto-supercúmulos de nuestro universo. Sin embargo, la amplitud de las fluctuaciones de CMB no es lo suficientemente grande como para coagularse gravitacionalmente en los cúmulos y galaxias que vemos hoy. La materia oscura (fría) es esencial en este proceso. Estaba desacoplado del campo de radiación y la presión térmica del universo primitivo y, por lo tanto, pudo comenzar el proceso de formación de estructuras mucho antes que la materia bariónica. Los cúmulos y las galaxias caen en los pozos de potencial gravitatorio preexistentes formados por la materia oscura. Es este proceso el que se describe mediante un colapso filamentoso: esta imagen de simulaciones numéricas (que se encuentra enhttp://www.mpa-garching.mpg.de/galform/virgo/millennium/index.shtml ) muestra que este proceso ha comenzado con corrimientos al rojo de alrededor de 20, cuando la primera formación estelar pudo haber comenzado.

A partir de ahí, se trata de juntar suficiente materia en un lugar para que se vuelva gravitacionalmente inestable para colapsar aún más. La cantidad clave es la masa de Jeans que es proporcional a$T^{3/2} \rho^{-1/2}$. Las nubes de gas más masivas que la masa de Jean tenderán a contraerse y, si pueden enfriarse y permanecer isotérmicas, entonces, a medida que colapsan, la densidad aumenta y la masa de Jeans se vuelve más pequeña: la nube puede fragmentarse en un cúmulo de protoestrellas.

Para que la masa de Jeans alcance tamaños estelares, entonces, para una temperatura dada, esto implica que la densidad debe aumentar a un valor particular. Es esto lo que desencadenará la formación de las primeras estrellas, en algún momento entre 50 y 100 millones de años después del Big Bang (se cree).