Kada se u Svemiru dogode velika spajanja galaksija slične veličine, iz vodika i helija koji se nalaze u njima stvaraju se nove zvijezde. To može rezultirati snažno povećanim stopama formiranja zvijezda, slično onome što opažamo u obližnjoj galaksiji Heniz 2–10, udaljenoj 30 milijuna svjetlosnih godina. (X-RAY (NASA / CXC / VIRGINIA / A.REINES ET AL); RADIO (NRAO / AUI / NSF); OPTIČKI (NASA / STSCI))

Kako je bilo kad su galaksije tvorile najveći broj zvijezda?

Već više od 10 milijardi godina stopa stvaranja zvijezda u svemiru opada. Evo priče.

Pogledajte širok izbor galaksija u Svemiru i pronaći ćete posve različit skup priča. Najveći su džinovski eliptični, od kojih mnogi nisu formirali nove zvijezde tijekom posljednje polovice naše čitave kozmičke povijesti. Mnoge su spiralne galaksije poput naše Mliječne staze, s malim brojem regija koje tvore nove zvijezde, ali u kojima je cjelokupna galaksija uglavnom tiha. I nekoliko galaksija prolazi kroz brza, intenzivna razdoblja formiranja zvijezda, od interaktivnih spirala koje su zasađene milijunima novih zvijezda do nepravilnih galaksija pražnjenja zvijezda, gdje se cijela galaksija pretvara u područje formiranja zvijezda.

Ali u prosjeku su stope formiranja novih zvijezda danas najniže kakve su imali od ekstremnih ranih stadija Svemira. Većina zvijezda u Svemiru formirala se tek u prvih 1 do 3 milijarde godina, a od tada je stopa stvaranja zvijezda opala. Evo kozmičke priče koja stoji iza toga.

Sastavljena slika Hubble / Spitzera galaksijskog klastera SpARCS1049 + 56 pokazuje kako spajanje bogate plinom (u sredini) može potaknuti stvaranje novih zvijezda. (NASA / STScI / ESA / JPL-Caltech / McGill)

U ranim danima svemira, materija je daleko gušća nego što je danas. Postoji vrlo jednostavan razlog za to: u promatranom Univerzumu postoji fiksna količina materijala, ali sama se površina prostora širi. Pa biste očekivali da će, kada je Svemir mlađi, postojati više formiranja zvijezda, jer bi više materija bilo bliže skupu i formiranju zvijezda.

Ali također u ranim danima, Svemir je bio ujednačeniji. U trenutku vrućeg Velikog praska, najgušća područja svih bila su samo oko 0,01% gušća od tipične prosječne regije pa je potrebno dugo vremena da ta prenapučena područja rastu i prikupe dovoljno materije da formiraju zvijezde, galaksije, pa čak i veće strukture. Na početku su faktori koji djeluju i za vas i protiv vas.

Galaksije koje su trenutno u gravitacijskim interakcijama ili spajanjima gotovo uvijek također tvore nove, svijetle, plave zvijezde. Jednostavan kolaps je način na koji se isprva formiraju zvijezde, ali većina formacija zvijezda koje danas vidimo rezultat je nasilnijeg procesa. Nepravilni ili izobličeni oblici takvih galaksija ključni su potpis da se to događa. (NASA, ESA, P. OESCH (UNIVERZITET u Ženevi) i M. MONTES (UNIVERZITET NOVIH JUŽNIH WALESA)

Način na koji oblikujete zvijezde prilično je jednostavan: skupite veliku količinu mase na istom mjestu, ostavite da se ohladi i uruši, a vi dobijete novu regiju koja tvori zvijezdu. Često, veliki vanjski okidač, poput sila plime iz velike, obližnje mase ili brzog izbacivanja materijala iz prašine supernove ili gama zraka, može uzrokovati ovu vrstu kolapsa i stvaranje novih zvijezda.

To vidimo u obližnjem Svemiru, kako u regijama unutar galaksije, poput magline Tarantula u Velikom magelanskom oblaku, tako i na skalama čitavih galaksija, poput Messiera 82 (galaksije Cigar), koji se gravitaciono okreće pod utjecajem svog susjeda, Messiera 81.

Galaksija zvijezde Messier 82, s obzirom da je materija protjerana kao što pokazuje crveni mlaz, ovaj je val formiranja zvijezda pokrenut tijesnom gravitacijskom interakcijom sa susjedom, svijetlom spiralnom galaksijom Messier 81. (NASA, ESA, THE HUBBLE NASLJEDNI TIM, (STSCI / AURA); ZAHVALE: M. MOUNTAIN (STSCI), P. PUXLEY (NSF), J. GALLAGHER (U. WISCONSIN))

Ali najveći pokretač stvaranja zvijezda od svih je tijekom onoga što astronomi nazivaju velikim spajanjem. Kad se dvije usporedivo galaksije sudaraju i spajaju zajedno, ogromni val formiranja zvijezda može obuhvatiti cijelu galaksiju, uzrokujući ono što nazivamo zvjezdanim praskom. Ovo su najveći slučajevi nastanka zvijezda u Svemiru, a neki od njih se javljaju i danas.

Znači li to da se nastajanje zvijezda i dalje odvija jednakom brzinom ili blizu njih, kao na vrhuncu? Jedva. Većina tih velikih spajanja već je daleko u retrovizoru povijesti Univerzuma. Širenje Svemira je nemilosrdan fenomen, baš kao i gravitacija. Problem je što se događa konkurencija, a gravitacija je davno izgubljena.

Očekivane sudbine Svemira (gornje tri ilustracije) sve odgovaraju Svemiru gdje se materija i energija bore protiv početne brzine širenja. U našem promatranom Svemiru, kozmičko ubrzanje uzrokovano je nekom vrstom tamne energije, koja je do sada neobjašnjiva. Sve ove Svemire upravljaju Friedmannove jednadžbe, koje odnose širenje Svemira na različite vrste materije i energije prisutne u njemu. (E. SIEGEL / BEZ GALAKSE)

Da su Svemir postali 100% materije, a početna brzina širenja i gustoća materije se međusobno savršeno uravnotežili, živjeli bismo u Svemiru koji bi u budućnosti imao velika spajanja. Ne bi bilo ograničenja u veličini velike strukture koja se formirala:

  • zvjezdani grozdovi bi se stapali u proto-galaksije,
  • proto-galaksije bi se stapale u mlade, male galaksije,
  • te bi se galaksije spojile u velike spirale koje danas imamo,
  • spirale bi se spojile u gigantske eliptike,
  • spirale i eliptika padale bi u grozdove,
  • klasteri će se sudarati i tvoriti superklastere,
  • i sami bi superklasteri nastali zajedno, vodeći do megaklastera,

i tako dalje. Kako je vrijeme prolazilo, ne bi postojalo ograničenje razmjera u kojem je kozmička mreža rasla i rasla.

Kozmička mreža tamne materije i strukture velikih razmjera koju tvore. Normalna materija je prisutna, ali ona je samo 1/6 ukupne materije. Ostalih 5 / 6th je tamna tvar i niti jedna količina normalne materije se neće riješiti. Da ne postoji tamna energija u Svemiru, struktura bi nastavila rasti i rasti na sve većim i većim skalama s vremenom. (MILIJUNA SIMULACIJA, V. SPRINGEL ET AL.)

Nažalost, za sve obožavatelje novih zvijezda, to nije naš Univerzum. Naš svemir ima puno manje materije od toga, a većina stvari koje mi imamo uopće nije materijal koji tvori zvijezdu, već neki oblik tamne materije. Pored toga, većina energije Svemira dolazi u obliku tamne energije koja služi samo za razdvajanje nepovezanih struktura.

Kao rezultat toga, ne dobivamo nijednu strukturu velikih razmjera koja je vezana izvan veličina klastera galaksija. Sigurno će se neki galaksijski klasteri spojiti zajedno, ali ne postoji stvar poput superklase; te prividne strukture su puka fantazma koju treba uništiti dok se Svemir nastavlja širiti.

Superklaster Laniakea, koji sadrži Mliječni put (crvena točka), na periferiji klastera Djevice (velika bijela kolekcija u blizini Mliječnog puta). Unatoč varljivim izgledima slike, to nije stvarna struktura, jer će tamna energija većinu tih skupina gomila razdvojiti, fragmentirajući ih kako vrijeme prolazi. (TULLY, RB, COURTOIS, H., HOFFMAN, Y & POMARÈDE, D. NATURE 513, 71–73 (2014))

S obzirom na Univerzum koji imamo, kako izgleda naša povijest stvaranja zvijezda? Prve zvijezde nastaju nakon možda 50–100 milijuna godina, kada molekularni oblaci malih razmjera mogu nakupiti dovoljno materije da se uruše. Do trenutka kada je Svemir star oko 200–250 milijuna godina, prvi se zvjezdani grozdovi spojili zajedno, pokrećući novi val formiranja zvijezda i formirajući najstarije galaksije. Do vremena kada je svemir star 400–500 milijuna godina, najveće galaksije već su narasle na nekoliko milijardi solarnih masa: oko 1% mase Mliječnog puta.

Nešto kasnije, počinju se formirati prvi nakupine galaksija, velika spajanja postaju uobičajena, a kozmička mreža počinje postajati sve gušća. Prvih 2 do 3 milijarde godina svemira, stopa formiranja zvijezda i dalje raste.

Zvjezdani rasadnik u velikom magnetskom oblaku, satelitska galaksija Mliječnog puta. Ovaj novi, obližnji znak formiranja zvijezda može se činiti sveprisutnim, ali brzina kojom danas nastaju nove zvijezde u cijelom Svemiru samo je nekoliko posto od onoga što je bilo u svom ranom vrhuncu. (NASA, ESA i HUBBLE) NASLJEDNI TEAM (STSCI / AURA) -ESA / HUBBLE SARADNJA)

Međutim, ovaj porast ne nastavlja se dalje od ove točke. Nakon otprilike 3 milijarde godina, stopa nastajanja zvijezda počinje padati, a pada i naglo i kontinuirano nakon toga.

Što se događa zbog toga?

Niz čimbenika, koji djeluju u tandemu. Zvijezde se sastoje od (uglavnom) plina vodika i helija, koji se urušavaju i zapalju nuklearnu fuziju. Ova fuzija povećava unutarnji tlak, radeći na izbacivanju većeg dijela materijala koji stvara zvijezdu. Kako se galaksije skupljaju u obliku grupa i grozdova, gravitacijski potencijal postaje sve veći, ali intergalaktički medij također dobiva više materijala unutar njega. To znači, kako galaksije prolaze kroz gušće prostore, velik dio ovog materijala koji stvara zvijezdu otpada.

Jedna od najbržih poznatih galaksija u Svemiru, koja se vozila kroz svoj grozd (i lišena je plina) brzinom od nekoliko posto svjetlosti: tisućama km / s. Tragovi zvijezda formiraju se u zanosu, dok se tamna tvar nastavlja s izvornom galaksijom. (NASA, ESA, JEAN-PAUL KNEIB (LABORATOIRE D'ASTROPHYSIQUE DE MARSEILLE) ET AL.)

Uz to, sve više i više materijala nađenog u ovim galaksijama obrađuje se kako vrijeme prolazi: napunjeni su težim i težim elementima. U novoj studiji znanstvenika UC Riverside, otkrili su da što je starija galaksija koja tvori zvijezdu, to sporije formira zvijezde.

Upotrebom nekih vlastitih novootkrivenih klastera SpARCS, nova studija vođena UCR-om otkrila je da je potrebna galaksija duže da prestane formirati zvijezde kako svemir postaje stariji: samo 1,1 milijardu godina kada je svemir bio mlad (4 milijarde godina), 1,3 milijardu godina kada je svemir sredovječna (6 milijardi godina), i 5 milijardi godina u današnjem svemiru.

Drugim riječima, nove se zvijezde formiraju bržim tempom ranije i danas sporijom brzinom. Dodajte tamnu energiju koja ograničava dodatnu strukturu od formiranja i dobili ste recept za vrlo miran Svemir.

Klaster Pandore, formalno poznat kao Abell 2744, kozmički je razboj četiri neovisna galaksija, sve okupljene pod neodoljivom silom gravitacije. Ovdje su možda vidljive tisuće galaksija, ali sam Svemir sadrži možda dva trilijuna njih. (NASA, ESA i J. LOTZ, M. MOUNTAIN, A. KOEKEMOER i HFF TEAM)

Sada sastavimo sve zajedno. U rano doba, bilo je dosta netaknutog (ili više netaknutog) materijala i mnogo više spajanja galaksija usporedne veličine. Kad su se velike galaksije spojile u grozdove, prvo su tad formirali klastere, što znači da je bilo manje oduzimanja mase i više pucanja zvijezda kada su galaksije međusobno djelovale. Iako su danas galaksije veće nego što su bile, one su i dalje bile značajne nakon nekoliko milijardi godina, a spajanja su bila mnogo češća.

Sve rečeno, prema najopsežnijim studijama ikad poduzetim, stopa stvaranja zvijezda opala je za čak 97% od svog maksimalnog, prije 11 milijardi godina.

Stopa nastajanja zvijezda dosegla je vrhunac kada je Svemir bio star oko 2,5 milijardi godina i od tada je u opadanju. U nedavnoj prošlosti stopa stvaranja zvijezda u stvarnosti je pala, što odgovara početku prevlasti tamne energije. (D. SOBRAL ET AL. (2013), MNRAS 428, 2, 1128–1146.)

Brzina nastajanja zvijezda smanjivala se polako i postojano nekoliko milijardi godina, što je odgovaralo epohi u kojoj je Svemir još uvijek dominirao materijom, samo što se sastojao od više obrađenog i ostarelog materijala. Bilo je manje spajanja po broju, ali to se djelomično nadoknadilo činjenicom da su se veće strukture stapale, što je dovelo do većih regija u kojima se formiraju zvijezde.

Ali točno između dobi od 6 do 8 milijardi godina, učinci tamne energije počeli su otkrivati ​​svoju prisutnost na stopi formiranja zvijezda, uzrokujući da se ona ubrzano smanji. Ako želimo vidjeti najveće eksplozije zvijezda, nemamo drugog izbora nego gledati daleko. Ultra udaljeni Svemir je tamo gdje je stvaranje zvijezda bilo na maksimumu, a ne lokalno.

Hubbleova napredna kamera za istraživanje identificirala je brojne ultra-udaljene galaksije. Ako je tamna energija kosmološka konstanta, svi će ti klasteri ostati gravitacijski povezani, poput svih galaksijskih skupina i klastera, ali će se s vremenom ubrzavati dalje od nas i jednih drugih dok tamna energija i dalje dominira širenjem Univerzuma. Ovi ultra-udaljeni grozdovi prikazuju stope formiranja zvijezda daleko veće od grozdova koje danas promatramo. (NASA, ESA, J. BLAKESLEE, M. POSTMAN i G. MILEY / STSCI)

Sve dok u Svemiru ostaje plin i gravitacija je još uvijek stvar, postojat će prilike za stvaranje novih zvijezda. Kad uzmete oblak plina i dopustite mu da se uruši, samo oko 10% tog materijala navija u zvijezdama; ostatak se vraća u međuzvjezdani medij gdje će dobiti još jednu priliku u dalekoj budućnosti. Iako je stopa stvaranja zvijezda opala od ranih dana Svemira, ne očekuje se da se spusti na nulu sve dok Svemir ne bude tisućama godina svog sadašnjeg doba. Nastavit ćemo formirati nove zvijezde za bilijune tijekom trilijuna godina.

Ali čak i uz sve rečeno, nove zvijezde su sada puno rijetkost nego što su to bile u bilo kojem trenutku naše prošlosti otkad je Svemir bio u povojima. Trebali bismo moći saznati kako se formiranje zvijezda popelo na vrhuncu i koji su faktori koji su oblikovali stopu nastajanja zvijezda u ranim danima, s pojavom svemirskog teleskopa James Webb. Već znamo kako izgleda Svemir i kako danas propada. Sljedeći veliki korak koji je gotovo pred nama jest da naučimo kako je odrastao onakav kakav je bio na svakom koraku u našoj prošlosti.

Daljnje čitanje o tome kako je izgledao Svemir kada:

  • Kako je bilo kada se svemir napuhavao?
  • Kako je bilo kad je prvi puk počeo?
  • Kako je bilo kada je svemir bio u najjačem stanju?
  • Kako je bilo kad je svemir stvorio više materije nego antimaterije?
  • Kako je bilo kad je Higgs dao misu Svemiru?
  • Kako je bilo kad smo prvi put pravili protone i neutrone?
  • Kako je bilo kad smo izgubili posljednju antimateriju?
  • Kako je bilo kad je Svemir napravio svoje prve elemente?
  • Kako je bilo kad je Svemir prvi put stvorio atome?
  • Kako je bilo kad u Svemiru nije bilo zvijezda?
  • Kako je bilo kad su prve zvijezde počele osvjetljavati Svemir?
  • Kako je bilo kad su umrle prve zvijezde?
  • Kako je bilo kad je Svemir napravio drugu zvijezdu?
  • Kako je bilo kad je Svemir napravio prve galaksije?
  • Kako je bilo kad je zvijezda prvi put probila neutralne atome Svemira?
  • Kako je bilo kad su se formirale prve supermasivne crne rupe?
  • Kako je bilo kad je život u Svemiru prvi put postao moguć?

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.