Cómo se expande una esfera no homogénea: una fórmula en lugar de cálculos complejos ✛ ✎

Original: "Near universality of nonlinear transverse and radial velocity responses in spherical collapse with arbitrary radial profiles"
· Valerio Marra
arXiv:2608.27376v1 · 2026-08-27 · arXiv non-exclusive · análisis propio · 1 min
La velocidad de expansión de cualquier región esférica se puede calcular con una única fórmula sencilla.

Una gota de tinta se dispersa en un vaso de agua: sus bordes se mueven más rápido que el centro. De manera similar, un cúmulo de materia oscura que se contrae por su propia gravedad se expande de forma desigual, y sus distintas capas se alejan a velocidades diferentes. Antes, los astrofísicos solo podían describir con exactitud el caso más simple: una esfera homogénea con un borde definido. Pero los cúmulos reales son suaves: la densidad disminuye gradualmente del centro al borde, y cada capa siente su propia atracción.

Resulta que la velocidad de expansión en la dirección transversal al radio depende solo de la densidad promedio dentro de ese punto, mientras que en la dirección radial depende además de la rapidez con que cambia la densidad.

Para estimaciones rápidas, se propone una fórmula simple que se equivoca en no más del 0.7%. Esto significa que, en lugar de largos cálculos por computadora, se pueden obtener las velocidades al instante a partir de un perfil de densidad dado. Antes, para cada nuevo perfil había que resolver de nuevo las ecuaciones de movimiento; ahora basta con sustituir los números en la fórmula ya preparada.

Para una capa en la pared de un vacío, el contraste local puede ser positivo mientras que el interno es negativo: la capa es más densa que la media, pero dentro de ella todavía hay un déficit de masa. Esta diferencia es la que controla la anisotropía de la expansión.

\delta h_\perp = -\frac{f}{3} A(\Delta)
La desviación relativa de la tasa de expansión transversal respecto al fondo es proporcional a la función A del contraste interno
\delta h_\parallel = -\frac{f}{3} A(\Delta) - f [\delta - \Delta] A'(\Delta)
La respuesta radial incluye un término adicional con la diferencia entre el contraste local y el interno, multiplicada por la derivada de A
\Gamma = \frac{f [\Delta - \delta] A'(\Delta)}{1 - \frac{f}{3} \{ A(\Delta) + [\delta - \Delta] A'(\Delta) \}}
Medida adimensional de la diferencia entre las tasas radial y transversal
Conceptos
homogeneidad cosmológica curvatura espacial parámetros cosmológicos contraste de densidad