Introducción

En nuestro universo, el fondo cósmico de microondas se formó aproximadamente 400.000 años después del Big Bang. Hacía calor, pero unos pocos millones de años después del Big Bang , ya no habría consistido significativamente en luz visible. Las primeras estrellas se formaron unos 100 millones de años más tarde , más o menos, a medida que las estructuras más grandes comenzaban a formarse lentamente.

En mi universo, me gustaría ver si puedo crear un período de superposición, donde se forman las primeras estrellas mientras el CMB todavía está lo suficientemente caliente como para ser visible a simple vista y existe en longitudes de onda adecuadas para la fotosíntesis basada en clorofila. . Al jugar con la ecuación de Saha , descubrí que puedo mantener el CMB caliente y visible durante unos pocos millones de años más, pero solo si aumento mucho la densidad bariónica .

Por lo tanto, quiero ver si puedo cambiar los parámetros de mi universo para acelerar la formación de estrellas en un factor de 100 más o menos. No voy a cambiar la mayoría de las constantes fundamentales como la velocidad de la luz; eso tiende a causar problemas más adelante. Los parámetros que estoy dispuesto a cambiar son los diversos parámetros de densidad para fotones, materia bariónica, materia oscura y energía oscura:$\Omega_{\gamma}$,$\Omega_M$,$\Omega_D$, y$\Omega_{\Lambda}$. Estos evolucionan con el tiempo ; hoy,$\Omega_{\Lambda,0}=0.692$,$\Omega_{D,0}=0.258$,$\Omega_{M,0}=0.048$y$\Omega_{\gamma,0}\approx0$. Sin embargo, cuando se estaban formando las primeras estructuras, el universo habría estado dominado por la materia (es decir,$\Omega_M,\Omega_D\gg\Omega_{\gamma},\Omega_{\Lambda}$).

Formación de estructuras y formación estelar.

Dado lo que sé sobre la formación de estrellas en el universo primitivo (consulte, por ejemplo, 1 2 , para obtener más información), creo que podemos dividir el proceso en un par de etapas clave:

1. Las pequeñas fluctuaciones de densidad crecen a medida que las inestabilidades gravitacionales provocan el colapso de las perturbaciones. Estos forman pequeños halos de materia oscura ricos en gas primordial.
2. Este gas se enfría principalmente después de que se forma el hidrógeno molecular porque gran parte del gas debería existir a temperaturas inferiores a$\sim10^4\text{ K}$- el umbral donde el enfriamiento atómico es importante.
3. Cuando los cúmulos en una nube de gas son lo suficientemente masivos (es decir, alcanzan la masa de Jeans), pueden colapsar para formar estrellas, tal como lo hacen hoy.

Si pudiera afectar cualquiera de las tres etapas: colapso del halo, enfriamiento o colapso protoestelar, podría lograr lo que quiero. El problema es que no sé cómo cambiar mis parámetros afectaría las escalas de tiempo relevantes, si es que lo hace.

trabajo existente

He realizado una búsqueda bibliográfica básica sobre el trabajo teórico sobre la formación de estructuras tempranas. Gran parte de los resultados existentes se basan en simulaciones numéricas (por ejemplo, Abel et al. 2000 , Bromm et al. 1999 ). Suponen un universo dominado (en ese momento) por materia oscura fría, es decir, con$\Omega_D\approx0.95$y$\Omega_M\approx0.05$. Usando un par de métodos numéricos diferentes, estudiaron la evolución de los cúmulos a través del colapso. Como me supera reproducir las simulaciones, ni siquiera puedo especular sobre cómo se comportarían de manera diferente en otro universo.

Si hay aproximaciones analíticas para las escalas de tiempo involucradas, no puedo encontrarlas. Sospecho que hay algo ahí fuera, pero no sé dónde está (la cosmología no es exactamente un área de especialización mía).

La pregunta

Digamos que quiero que se formen estrellas dentro de los primeros 2 millones de años después del Big Bang. ¿Qué combinación de los parámetros cosmológicos ($\Omega_{\gamma}$,$\Omega_M$,$\Omega_D$, y$\Omega_{\Lambda}$) es necesario para causar esto? (Yo asumo eso$\Omega_M$y$\Omega_D$son en los que debería centrarme). Simplemente ajustando las contribuciones de diferentes tipos de materia y energía, ¿puedo hacer que la formación de estrellas en este universo comience antes que en el nuestro?

Requisitos

Tengo un par de requisitos:

• El universo necesita ser estable y eventualmente debería evolucionar para convertirse en lo que es hoy: expandirse a un ritmo acelerado y dominado por la energía oscura.
• Las constantes fundamentales no derivadas de los parámetros de densidad no deberían cambiar. Por ejemplo, está prohibido aumentar la velocidad de la luz, disminuir la masa de un electrón o aumentar la constante gravitacional. No quiero encontrarme con ninguna paradoja o contradicción desafortunada.
• Tenga en cuenta la etiqueta de ciencia dura en la pregunta. Idealmente, una respuesta estaría respaldada por resultados analíticos o numéricos. No estoy pidiendo a nadie que ejecute simulaciones. . . pero si lo hiciera, eso podría ser increíblemente útil.

notas

La pregunta permaneció sin respuesta por un tiempo. Aparte del hecho de que las simulaciones del colapso del subhalo pueden ser necesarias para abordar el problema en detalle, creo que la pregunta podría ser difícil de responder dado nuestro conocimiento actual de la física detrás de todo. Hay algunos posibles puntos conflictivos:

• Hace poco hablé con un astroquímico sobre la formación estelar de la Población III en general; resulta que los coeficientes de velocidad para las reacciones de enfriamiento del hidrógeno molecular no se conocen con precisión.
• Todavía hay algunas discrepancias entre las diferentes simulaciones de colapso de halo/formación de estructuras tempranas.
• No tenemos mucha información sobre las estrellas de Población III.

Poniendo todo esto junto, mi pregunta puede quedar sin respuesta por un tiempo, pero estoy de acuerdo con eso. Si conoce nuevos desarrollos (o antiguos) que hacen que esta pregunta sea respondible, y puede aplicarlos correctamente, escriba una respuesta. Pero si solo podemos especular, bueno, prefiero esperar hasta que podamos hacer algo más que especular.