Когато във Вселената се случват големи сливания на галактики със същия размер, те образуват нови звезди от водорода и хелия, които присъстват в тях. Това може да доведе до силно увеличени темпове на образуване на звезди, подобно на това, което наблюдаваме в близката галактика Хениз 2–10, намираща се на 30 милиона светлинни години. (X-RAY (NASA / CXC / VIRGINIA / A.REINES ET AL); RADIO (NRAO / AUI / NSF); OPTICAL (NASA / STSCI))

Какво беше, когато галактиките формираха най-големия брой звезди?

Повече от 10 милиарда години скоростта на звездообразуване в цялата Вселена намалява. Ето и историята.

Погледнете голямо разнообразие от галактики във Вселената и ще намерите много различен набор от истории. Най-големите са гигантски елипсовидни, много от които не са образували нови звезди през последната половина от цялата ни космическа история. Много спирални галактики са като нашия Млечен път, с малък брой региони, образуващи нови звезди, но където цялостната галактика до голяма степен е тиха. И няколко галактики претърпяват бързи, интензивни периоди на образуване на звезди, от взаимодействащи спирали, които са осеяни с милиони нови звезди, до неправилни галактики на звездни изблици, където цялата галактика се трансформира в зона, образуваща звезди.

Но средно скоростта на формиране на нови звезди днес е най-ниската, която са били от крайните ранни етапи на Вселената. По-голямата част от звездите във Вселената са се образували едва през първите 1 до 3 милиарда години и оттогава скоростта на образуване на звезди е спаднала. Ето космическата история зад него.

Комбинирано изображение на Хъбъл / Шпицър от галактически клъстер SpARCS1049 + 56 показва как богат на газ сливане (център) може да предизвика образуването на нови звезди. (НАСА / НИКТ / ESA / JPL-Caltech / McGill)

В първите дни на Вселената материята е далеч по-гъста, отколкото днес. Има много проста причина за това: има фиксирано количество материал в наблюдаваната Вселена, но самата материя на пространството се разширява. Така че бихте очаквали, когато Вселената беше по-млада, да има повече звездно образуване, тъй като повече материя ще бъде по-близо заедно, за да се сглоби и да образува звезди.

Но и в първите дни Вселената беше по-еднообразна. В момента на горещия Голям взрив, най-плътните райони от всички бяха само с около 0,01% по-плътни от типичния, среден регион и затова отнема много време тези региони с наднормено тегло да растат и събират достатъчно материя, за да образуват звезди, галактики и др. и дори по-големи структури. В началото вие имате фактори, които работят както за вас, така и срещу вас.

Галактиките, които в момента са подложени на гравитационни взаимодействия или сливания, почти винаги също образуват нови, ярки, сини звезди. Простият срив е начинът да се образуват звезди в началото, но по-голямата част от звездната формация, която виждаме днес, е резултат от по-насилствен процес. Неправилните или смутени форми на такива галактики са ключов подпис, че това се случва. (НАСА, ЕКА, П. OESCH (УНИВЕРСИТЕТ ГЕНЕВА) И М. МОНТЕС (УНИВЕРСИТЕТ НА НОВИ ЮЖНИ ВАЛИ))

Начинът, по който образувате звезди, е доста лесен: съберете голямо количество маса на едно и също място, оставете го да се охлади и свие, и получавате нов район, образуващ звезди. Често голям, външен спусък, подобно на приливни сили от голяма, близка маса или бързо изхвърлящ се материал от свръхнова или гама-лъч, може да причини този тип срив и новообразуване на звезди.

Това виждаме в близката Вселена, както в региони в една галактика, като мъглявината Тарантула в Големия магеланов облак, така и на самите скали на цели галактики, като в Месиер 82 (галактиката на Цигарите), която се гравитационно повлиян от своя съсед Месиер 81.

Галактиката на звездното избухване Messier 82, като материята е изгонена, както е показано от червените струи, е извършила тази вълна от текущо образуване на звезди, предизвикана от тясно гравитационно взаимодействие със съседния си, светлата спирална галактика Messier 81. (NASA, ESA, THE HUBBLE НАСЛЕДСТВЕН ЕКИП, (STSCI / AURA); ПРИЗНАВАНЕ: М. ПЛАНИНА (STSCI), P. PUXLEY (NSF), J. GALLAGHER (U. WISCONSIN))

Но най-големият спусък за образуване на звезди от всички е по време на онова, което астрономите наричат ​​основно сливане. Когато две сравнително галактики се сблъскат и се слеят заедно, огромна вълна от образуване на звезди може да обгърне цялата галактика, причинявайки това, което наричаме звезден взрив. Това са най-големите случаи на образуване на звезди във Вселената, а някои от тях се срещат и днес.

Означава ли това, че образуването на звезди продължава да се извършва със същите темпове или в близост до тях, както при своя пик? Едва ли. Повечето от тези големи сливания вече са далеч в огледалото за обратно виждане на историята на Вселената. Разширяването на Вселената е безпощадно явление, точно като гравитацията. Проблемът е, че конкуренцията продължава и гравитацията е загубена отдавна.

Очакваните съдби на Вселената (първите три илюстрации) съответстват на Вселената, където материята и енергията се борят срещу първоначалната скорост на разширяване. В нашата наблюдавана Вселена космическото ускорение се причинява от някакъв вид тъмна енергия, която досега е необяснима. Всички тези Вселени се управляват от уравненията на Фридман, които свързват разширяването на Вселената с различните видове материя и енергия, присъстващи в нея. (Е. СИГЕЛ / СЛЕД ГАЛАКСИЯТА)

Ако Вселената беше направена на 100% от материята и началната скорост на разширяване и плътността на материята се балансираха отлично, ние бихме живели във Вселената, която винаги ще има големи сливания в бъдещето си. Няма да има ограничение за размера на мащабната структура, която се формира:

  • звездни клъстери ще се слеят в прото-галактики,
  • прото-галактиките биха се слели в млади, малки галактики,
  • тези галактики биха се слели в големите спирали, които имаме днес,
  • спиралите биха се слели заедно, за да образуват гигантски елиптици,
  • спиралите и елипсовидните ще попаднат в струпвания,
  • клъстерите ще се сблъскат и образуват суперкластери,
  • и самите суперклъстери биха се образували заедно, водещи до мегакластери,

и така нататък. Докато времето продължаваше, нямаше да има ограничение за мащаба, с който космическата паяжина растеше и растеше.

Космическата паяжина на тъмната материя и мащабната структура, която образува. Нормалната материя присъства, но е само 1/6 от общата материя. Останалите 5/6-и са тъмна материя и никоя нормална материя няма да се отърве от това. Ако нямаше тъмна енергия във Вселената, структурата щеше да продължава да расте и расте на все по-големи мащаби с течение на времето. (МИЛИНИЕВАТА МОДУЛА, V. SPRINGEL ET AL.)

За съжаление за всички вас фенове на новите звезди, това не е нашата Вселена. В нашата Вселена има далеч по-малко материя от тази и по-голямата част от материята, която имаме, изобщо не е материал, образуващ звезда, а някаква тъмна материя. В допълнение, по-голямата част от енергията на Вселената идва под формата на тъмна енергия, която служи само за раздвижване на несвързаните структури.

В резултат на това не получаваме големи мащабни структури, които са свързани извън размерите на галактическите клъстери. Разбира се, някои галактически клъстери ще се слеят заедно, но няма такова нещо като суперкластер; тези привидни структури са просто фантазми, които трябва да бъдат унищожени, докато Вселената продължава да се разширява.

Суперкластерът Laniakea, съдържащ Млечния път (червена точка), в покрайнините на клъстера Дева (голяма бяла колекция в близост до Млечния път). Въпреки измамливия вид на изображението, това не е истинска структура, тъй като тъмната енергия ще раздалечи повечето от тези групи, като ги фрагментира с течение на времето. (TULLY, R. B., COURTOIS, H., HOFFMAN, Y & POMARÈDE, D. NATURE 513, 71–73 (2014))

Имайки предвид Вселената, която имаме, как изглежда нашата история на звездообразуване? Първите звезди се образуват след може би 50–100 милиона години, когато дребномащабните молекулярни облаци могат да натрупат достатъчно материя, за да се срутят. По времето, когато Вселената е на около 200–250 милиона години, първите звездни клъстери се сляха заедно, задействайки нова вълна от образуване на звезди и образувайки най-ранните галактики. По времето, когато Вселената е на 400–500 милиона години, най-големите галактики вече са нараснали до няколко милиарда слънчеви маси: около 1% от масата на Млечния път.

Малко по-късно от това започват да се образуват първите галактически клъстери, големите сливания стават обичайни и космическата мрежа започва да става все по-плътна. За първите 2 до 3 милиарда години от Вселената скоростта на образуване на звезди само продължава да нараства.

Звездна разсадница в Големия Магеланов облак, сателитна галактика на Млечния път. Този нов, близък знак за образуване на звезди може да изглежда повсеместен, но скоростта, с която днес се образуват нови звезди, в цялата Вселена, е само няколко процента от това, което беше в ранния си пик. (НАСА, ЕКА и ХЪБЪЛЪТ) НАСЛЕДСТВЕН ЕКИП (STSCI / AURA) -ESA / HUBBLE КОЛАБОРАЦИЯ)

Този възход обаче не продължава и след тази точка. След около 3 милиарда годишна възраст скоростта на образуване на звезди започва да намалява и спада бързо и непрекъснато след това.

Какво става за това?

Редица фактори, всички работещи в тандем. Звездите се образуват от (предимно) водороден и хелиев газ, които се сриват и запалват ядрен синтез. Този синтез увеличава вътрешното налягане, като работи за изхвърляне на голяма част от потенциално образуващия звезди материал. Докато галактиките се събират и образуват групи и струпвания, гравитационният потенциал се увеличава, но междугалактичната среда също получава повече материал вътре. Това означава, че галактиките преминават през по-плътни пространства в пространството, голяма част от този потенциално образуващ звезди материал се отнема.

Една от най-бързите известни галактики във Вселената, която преминава през своя клъстер (и се лишава от газта си) с няколко процента от скоростта на светлината: хиляди км / сек. Следи от звезди се образуват след като тъмната материя продължава с оригиналната галактика. (НАСА, ESA, JEAN-PAUL KNEIB (LABORATOIRE D'ASTROPHYSIQUE DE MARSEILLE) ET AL.)

Освен това все повече и повече материал, намиращ се в тези галактики, се обработва с течение на времето: изпълнен с по-тежки и по-тежки елементи. В ново проучване на учените от UC Riverside те открили, че колкото по-стара е галактика, образуваща звезди, толкова по-бавно образува звезди.

Използвайки някои от собствените си новооткрити клъстери SpARCS, новото проучване, ръководено от UCR, откри, че е необходимо галактика повече, за да спре да образува звезди, когато Вселената остарява: само 1,1 милиарда години, когато Вселената е била млада (на 4 милиарда години), 1.3 милиарди години, когато Вселената е на средна възраст (6 милиарда години), и 5 милиарда години в днешната Вселена.

С други думи, новите звезди се образуват с по-бързи темпове в началото и днес с по-бавни темпове. Добавете тъмна енергия, която ограничава формирането на допълнителна структура и имате рецепта за много тиха Вселена.

Пандорският клъстер, известен официално като Abell 2744, е космическо разбиване на четири независими галактически клъстера, всички заедно под непреодолимата сила на гравитацията. Тук могат да се видят хиляди галактики, но самата Вселена съдържа може би два трилиона от тях. (НАСА, ЕКА и Й. ЛОЦ, М. ПЛАН, А. КОЕКЕМЪР, И HFF TEAM)

Нека сега да го съберем всичко В началото имаше много девствени (или по-девствени) материали и много повече сливания на съпоставими по големина галактики. Когато големи галактики се обединиха в клъстери, те първо образуваха клъстери тогава, което означава, че по-малко масово отнемане и повече звездни изригвания при взаимодействието на галактиките. И въпреки че днес галактиките са по-големи, отколкото тогава, те бяха все още значителни след няколко милиарда години и сливанията бяха далеч по-чести.

Всичко казано, според най-обширните проучвания, правени някога, процентът на звездообразуване е намалял с огромни 97% от максимума си преди 11 милиарда години.

Скоростта на образуване на звезди достигна своя максимум, когато Вселената беше приблизително на 2,5 милиарда години и оттогава намалява. В близкото минало скоростта на образуване на звезди действително се е понижила, което съответства на началото на господството на тъмната енергия. (D. SOBRAL ET AL. (2013), MNRAS 428, 2, 1128–1146)

Скоростта на звездообразуване намалява бавно и стабилно в продължение на няколко милиарда години, което съответства на епоха, в която Вселената все още беше доминирана от материя, просто състояща се от по-обработен и остарял материал. Имаше по-малко сливания по брой, но това беше частично компенсирано от факта, че по-големи структури се сливат, което води до по-големи региони, където се образуват звезди.

Но точно на възраст между 6 и 8 милиарда години, ефектите на тъмната енергия започнаха да показват присъствието си върху скоростта на образуване на звезди, което предизвика бързото й падане. Ако искаме да видим най-големите изблици на звездно образувание, нямаме друг избор, освен да погледнем далеч. Свръхдалечната Вселена е мястото, където образуването на звезди е било на своя максимум, а не локално.

Разширената камера на Хъбъл за проучвания идентифицира редица свръхдалечени галактически клъстери. Ако тъмната енергия е космологична константа, всички тези клъстери ще останат гравитационно свързани, като всички галактически групи и клъстери, но с времето ще се ускоряват далеч от нас и един от друг, докато тъмната енергия продължава да доминира разширяването на Вселената. Тези ултрадалечни клъстери показват скорости на образуване на звезди, много по-големи от клъстерите, които наблюдаваме днес. (НАСА, ESA, J. BLAKESLEE, M. POSTMAN И G. MILEY / STSCI)

Докато във Вселената остава газ и гравитацията все още е нещо, ще има възможности за образуване на нови звезди. Когато вземете облак газ и го оставите да се срине, само около 10% от този материал се навива в звезди; остатъкът се връща обратно в междузвездната среда, където ще получи още един шанс в далечното бъдеще. Въпреки че скоростта на образуване на звезди спадна от ранните дни на Вселената, не се очаква да се спусне до нула, докато Вселената е много хиляди от сегашната си епоха. Ще продължим да образуваме нови звезди за трилиони на трилиони години.

Но дори и при всичко казано, новите звезди са много по-голяма рядкост сега, отколкото някога в нашето минало, тъй като Вселената е била в начален стадий. Трябва да можем да разберем как звездообразуването се е повишило до своя връх и какви са факторите, които са формирали скоростта на образуване на звезди в първите дни, с появата на космическия телескоп Джеймс Уеб. Вече знаем как изглежда Вселената и как тя намалява днес. Следващата голяма стъпка, която е почти за нас, е да научим как е израснал, за да бъде такъв, какъвто е бил на всяка стъпка в нашето минало.

Допълнително четене на това каква е била Вселената, когато:

  • Как беше, когато Вселената се надуваше?
  • Какво беше, когато за първи път започна Големият взрив?
  • Как беше, когато Вселената беше най-горещата?
  • Как беше, когато Вселената за първи път създаде повече материя от антиматерия?
  • Как беше, когато Хигс даде маса на Вселената?
  • Как беше, когато за първи път направихме протони и неутрони?
  • Какво беше, когато загубихме последната си антиматерия?
  • Как беше, когато Вселената направи първите си елементи?
  • Как беше, когато Вселената за първи път направи атоми?
  • Как беше, когато във Вселената нямаше звезди?
  • Как беше, когато първите звезди започнаха да осветяват Вселената?
  • Какво беше, когато загинаха първите звезди?
  • Как беше, когато Вселената направи второто си поколение звезди?
  • Как беше, когато Вселената направи първите първи галактики?
  • Какво беше, когато звездна светлина за пръв път проби неутралните атоми на Вселената?
  • Какво беше, когато се образуваха първите свръхмасивни черни дупки?
  • Как беше, когато животът във Вселената за пръв път стана възможен?

Starts With A Bang вече е на Forbes и е публикуван отново на Medium благодарение на нашите привърженици на Patreon. Итън е автор на две книги, „Отвъд галактиката“ и „Трекнология: Наука за звездното пътуване от трикрилите до Warp Drive“.