Wenn im Universum größere Fusionen von Galaxien ähnlicher Größe stattfinden, bilden sie aus dem in ihnen vorhandenen Wasserstoff- und Heliumgas neue Sterne. Dies kann zu stark erhöhten Sternentstehungsraten führen, ähnlich wie wir es in der nahe gelegenen Galaxie Henize 2–10 beobachten, die sich 30 Millionen Lichtjahre entfernt befindet. (RÖNTGENSTRAHL (NASA / CXC / VIRGINIA / A. REINES ET AL); RADIO (NRAO / AUI / NSF); OPTISCH (NASA / STSCI))

Wie war es, als Galaxien die meisten Sterne bildeten?

Seit mehr als 10 Milliarden Jahren sinkt die Sternentstehungsrate im gesamten Universum. Hier ist die Geschichte.

Werfen Sie einen Blick auf eine Vielzahl von Galaxien im Universum und Sie werden eine ganz andere Reihe von Geschichten finden. Die größten sind riesige Ellipsentrainer, von denen viele in der zweiten Hälfte unserer gesamten kosmischen Geschichte keine neuen Sterne gebildet haben. Viele Spiralgalaxien ähneln unserer eigenen Milchstraße, wobei eine kleine Anzahl von Regionen neue Sterne bildet, die gesamte Galaxie jedoch weitgehend ruhig ist. Und einige Galaxien durchlaufen schnelle, intensive Perioden der Sternentstehung, von wechselwirkenden Spiralen, die mit Millionen neuer Sterne übersät sind, bis zu unregelmäßigen Starburst-Galaxien, in denen sich die gesamte Galaxie in eine sternbildende Region verwandelt.

Aber im Durchschnitt sind die Neubildungsraten heute die niedrigsten seit den extrem frühen Stadien des Universums. Die Mehrheit der Sterne im Universum hat sich erst in den ersten 1 bis 3 Milliarden Jahren gebildet, und die Sternentstehungsrate ist seitdem gesunken. Hier ist die kosmische Geschichte dahinter.

Ein Hubble / Spitzer-Kompositbild des Galaxienhaufens SpARCS1049 + 56 zeigt, wie eine gasreiche Fusion (Mitte) die Bildung neuer Sterne auslösen kann. (NASA / STSCI / ESA / JPL-CALTECH / MCGILL)

In den frühen Tagen des Universums ist die Materie viel dichter als heute. Dafür gibt es einen sehr einfachen Grund: Es gibt eine feste Menge an Material im beobachtbaren Universum, aber das Raumgefüge selbst dehnt sich aus. Als das Universum jünger war, würde man also erwarten, dass es mehr Sternentstehung geben würde, da mehr Materie näher beieinander wäre, um sich zu verklumpen und Sterne zu bilden.

Aber auch in den frühen Tagen war das Universum einheitlicher. Im Moment des heißen Urknalls waren die dichtesten Regionen von allen nur etwa 0,01% dichter als eine typische durchschnittliche Region, und so dauert es lange, bis diese überdichten Regionen wachsen und genug Materie sammeln, um Sterne, Galaxien, zu bilden. und noch größere Strukturen. Schon früh haben Sie Faktoren, die sowohl für Sie als auch gegen Sie wirken.

Galaxien, die derzeit Gravitationswechselwirkungen oder Fusionen unterliegen, bilden fast immer auch neue, helle, blaue Sterne. Ein einfacher Zusammenbruch ist zunächst der Weg zur Bildung von Sternen, aber der größte Teil der Sternentstehung, die wir heute sehen, resultiert aus einem gewalttätigeren Prozess. Die unregelmäßigen oder gestörten Formen solcher Galaxien sind eine Schlüsselsignatur dafür, dass dies der Fall ist. (NASA, ESA, P. OESCH (UNIVERSITÄT GENF) UND M. MONTES (UNIVERSITÄT NEUE SÜDWALE))

Die Art und Weise, wie Sie Sterne bilden, ist ziemlich einfach: Stellen Sie eine große Menge Masse an derselben Stelle zusammen, lassen Sie sie abkühlen und kollabieren, und Sie erhalten eine neue sternbildende Region. Oft kann ein großer externer Auslöser, wie Gezeitenkräfte von einer großen, nahe gelegenen Masse oder schnell ausgestoßenes Material von einer Supernova oder einem Gammastrahlenausbruch, diese Art von Kollaps und auch die Bildung neuer Sterne verursachen.

Wir sehen dies im nahe gelegenen Universum, sowohl in Regionen innerhalb einer Galaxie, wie dem Tarantula-Nebel in der großen Magellanschen Wolke, als auch auf den Skalen ganzer Galaxien selbst, wie in Messier 82 (der Zigarrengalaxie), das gravitativ ist beeinflusst von seinem Nachbarn Messier 81.

Die Starburst-Galaxie Messier 82, deren Materie wie von den roten Jets gezeigt ausgestoßen wird, hat diese Welle der aktuellen Sternentstehung durch eine enge Gravitationswechselwirkung mit ihrem Nachbarn, der hellen Spiralgalaxie Messier 81, ausgelöst (NASA, ESA, THE HUBBLE) HERITAGE TEAM (STSCI / AURA); ANERKENNUNG: M. MOUNTAIN (STSCI), P. PUXLEY (NSF), J. GALLAGHER (U. WISCONSIN))

Der größte Auslöser für die Sternentstehung von allen ist jedoch das, was Astronomen als große Fusion bezeichnen. Wenn zwei vergleichbar große Galaxien kollidieren und miteinander verschmelzen, kann eine riesige Welle der Sternentstehung die gesamte Galaxie umhüllen und einen sogenannten Starburst verursachen. Dies sind die größten Fälle von Sternentstehung im Universum, und einige von ihnen treten noch heute auf.

Bedeutet das, dass die Sternentstehung weiterhin mit der gleichen Geschwindigkeit oder in der Nähe von ihnen stattfindet wie auf ihrem Höhepunkt? Kaum. Die meisten dieser großen Zusammenschlüsse befinden sich bereits weit im Rückspiegel der Geschichte des Universums. Die Expansion des Universums ist ebenso wie die Gravitation ein unerbittliches Phänomen. Das Problem ist, dass es einen Wettbewerb gibt und die Gravitation vor langer Zeit verloren hat.

Die erwarteten Schicksale des Universums (die letzten drei Abbildungen) entsprechen alle einem Universum, in dem Materie und Energie gegen die anfängliche Expansionsrate kämpfen. In unserem beobachteten Universum wird eine kosmische Beschleunigung durch irgendeine Art von dunkler Energie verursacht, die bisher ungeklärt ist. Alle diese Universen unterliegen den Friedmann-Gleichungen, die die Expansion des Universums mit den verschiedenen Arten von Materie und Energie in Verbindung bringen. (E. SIEGEL / ÜBER DIE GALAXIE HINAUS)

Wenn das Universum zu 100% aus Materie bestehen würde und die anfängliche Expansionsrate und die Materiedichte sich perfekt ausbalancieren würden, würden wir in einem Universum leben, das in seiner Zukunft immer größere Fusionen haben würde. Der Größe der gebildeten großräumigen Struktur wären keine Grenzen gesetzt:

  • Sternhaufen würden zu Protogalaxien verschmelzen,
  • Protogalaxien würden zu jungen, kleinen Galaxien verschmelzen,
  • Diese Galaxien würden in die großen Spiralen übergehen, die wir heute haben.
  • Spiralen würden zusammenwachsen, um riesige Ellipsentrainer zu bilden.
  • Spiralen und Ellipsentrainer würden in Cluster fallen,
  • Cluster würden kollidieren und Supercluster bilden,
  • und Supercluster selbst würden sich zusammen bilden, was zu Megaclustern führen würde,

und so weiter. Im Laufe der Zeit gab es keine Grenzen für das Ausmaß, in dem das kosmische Netz wuchs und wuchs.

Das kosmische Netz aus dunkler Materie und die großräumige Struktur, die es bildet. Normale Materie ist vorhanden, macht aber nur 1/6 der gesamten Materie aus. Die anderen 5/6 sind dunkle Materie, und keine Menge normaler Materie wird das loswerden. Wenn es im Universum keine dunkle Energie gäbe, würde die Struktur im Laufe der Zeit in immer größeren Maßstäben weiter wachsen und wachsen. (DIE MILLENIUM-SIMULATION, V. SPRINGEL ET AL.)

Leider ist das für alle Fans neuer Stars nicht unser Universum. Unser Universum hat weit weniger Materie als das, und der größte Teil der Materie, die wir haben, ist überhaupt kein sternbildendes Material, sondern irgendeine Form von dunkler Materie. Darüber hinaus kommt der größte Teil der Energie des Universums in Form von dunkler Energie, die nur dazu dient, die ungebundenen Strukturen auseinander zu treiben.

Infolgedessen erhalten wir keine großräumigen Strukturen, die über die Größe von Galaxienhaufen hinaus gebunden sind. Sicher, einige Galaxienhaufen werden zusammenwachsen, aber es gibt keinen Supercluster. Diese scheinbaren Strukturen sind bloße Phantasmen, die zerstört werden müssen, wenn sich das Universum weiter ausdehnt.

Der Laniakea-Supercluster mit der Milchstraße (roter Punkt) am Rande des Virgo-Clusters (große weiße Sammlung in der Nähe der Milchstraße). Trotz des trügerischen Aussehens des Bildes ist dies keine echte Struktur, da dunkle Energie die meisten dieser Klumpen auseinander treibt und sie im Laufe der Zeit fragmentiert. (TULLY, RB, COURTOIS, H., HOFFMAN, Y & POMARÈDE, D. NATURE 513, 71–73 (2014))

Wie sieht unsere Geschichte der Sternentstehung angesichts des Universums aus, das wir haben? Die ersten Sterne bilden sich nach vielleicht 50 bis 100 Millionen Jahren, wenn die kleinen Molekülwolken genug Materie ansammeln können, um zusammenzubrechen. Bis das Universum etwa 200 bis 250 Millionen Jahre alt ist, haben sich die ersten Sternhaufen zusammengeschlossen, eine neue Welle der Sternentstehung ausgelöst und die frühesten Galaxien gebildet. Bis das Universum 400 bis 500 Millionen Jahre alt ist, sind die größten Galaxien bereits auf einige Milliarden Sonnenmassen angewachsen: rund 1% der Masse der Milchstraße.

Wenig später beginnen sich die ersten Galaxienhaufen zu bilden, größere Fusionen werden häufig und das kosmische Netz wird immer dichter. In den ersten 2 bis 3 Milliarden Jahren des Universums steigt die Sternentstehungsrate nur weiter an.

Ein Sternenkindergarten in der Großen Magellanschen Wolke, einer Satellitengalaxie der Milchstraße. Dieses neue, nahe gelegene Zeichen der Sternentstehung mag allgegenwärtig erscheinen, aber die Geschwindigkeit, mit der sich heute im gesamten Universum neue Sterne bilden, beträgt nur wenige Prozent dessen, was es auf seinem frühen Höhepunkt war (NASA, ESA UND THE HUBBLE) HERITAGE TEAM (STSCI / AURA) -ESA / HUBBLE COLLABORATION)

Dieser Anstieg setzt sich jedoch nicht über diesen Punkt hinaus fort. Nach etwa 3 Milliarden Jahren beginnt die Sternentstehungsrate zu sinken und fällt danach steil und kontinuierlich ab.

Was wird das verursachen?

Eine Reihe von Faktoren, die alle zusammenarbeiten. Sterne bilden sich aus (meistens) Wasserstoff und Heliumgas, die zusammenbrechen und die Kernfusion entzünden. Diese Fusion erhöht den Innendruck und bewirkt, dass ein Großteil des potenziell sternbildenden Materials ausgestoßen wird. Wenn Galaxien zu Gruppen und Clustern zusammenklumpen, wird das Gravitationspotential größer, aber das intergalaktische Medium erhält auch mehr Material darin. Dies bedeutet, dass bei der Geschwindigkeit von Galaxien durch dichtere Regionen des Weltraums ein Großteil dieses potenziell sternbildenden Materials entfernt wird.

Eine der schnellsten bekannten Galaxien im Universum, die mit wenigen Prozent Lichtgeschwindigkeit durch ihren Cluster rast (und von ihrem Gas befreit wird): Tausende von km / s. Spuren von Sternen bilden sich in seinem Gefolge, während die dunkle Materie mit der ursprünglichen Galaxie weitergeht. (NASA, ESA, JEAN-PAUL KNEIB (LABORATOIRE D'ASTROPHYSIQUE DE MARSEILLE) UND AL.)

Darüber hinaus wird im Laufe der Zeit immer mehr Material aus diesen Galaxien verarbeitet: gefüllt mit immer schwereren Elementen. In einer neuen Studie von Wissenschaftlern von UC Riverside fanden sie heraus, dass eine sternbildende Galaxie umso langsamer Sterne bildet, je älter sie ist.

Unter Verwendung einiger ihrer neu entdeckten SpARCS-Cluster entdeckte die neue UCR-geführte Studie, dass eine Galaxie länger braucht, um keine Sterne mehr zu bilden, wenn das Universum älter wird: nur 1,1 Milliarden Jahre, als das Universum jung war (4 Milliarden Jahre alt), 1.3 Milliarden Jahre, wenn das Universum mittleren Alters ist (6 Milliarden Jahre alt), und 5 Milliarden Jahre im heutigen Universum.

Mit anderen Worten, neue Sterne bilden sich früh schneller und heute langsamer. Fügen Sie dunkle Energie hinzu, die die Bildung zusätzlicher Strukturen einschränkt, und Sie haben ein Rezept für ein sehr ruhiges Universum.

Der Pandora-Cluster, der offiziell als Abell 2744 bekannt ist, ist eine kosmische Zerlegung von vier unabhängigen Galaxienhaufen, die alle unter der unwiderstehlichen Schwerkraft zusammengeführt werden. Tausende von Galaxien mögen hier offensichtlich sein, aber das Universum selbst enthält vielleicht zwei Billionen davon. (NASA, ESA UND J. LOTZ, M. MOUNTAIN, A. KOEKEMOER UND DAS HFF-TEAM)

Lassen Sie uns jetzt alles zusammenfügen. Schon früh gab es viel unberührtes (oder unberührteres) Material und viel mehr Fusionen von Galaxien vergleichbarer Größe. Wenn große Galaxien zu Clustern verschmolzen, bildeten sie damals zuerst Cluster, was bedeutete, dass bei der Wechselwirkung von Galaxien weniger Massenentfernung und mehr Starbursting auftraten. Und obwohl Galaxien heute größer sind als damals, waren sie nach einigen Milliarden Jahren immer noch beträchtlich, und Fusionen waren weitaus häufiger.

Insgesamt ist die Sternentstehungsrate nach den umfassendsten Studien, die jemals durchgeführt wurden, seit ihrem Maximum vor 11 Milliarden Jahren um satte 97% gesunken.

Die Sternentstehungsrate erreichte ihren Höhepunkt, als das Universum ungefähr 2,5 Milliarden Jahre alt war, und ist seitdem rückläufig. In der jüngeren Vergangenheit ist die Sternentstehungsrate tatsächlich gesunken, was dem Einsetzen der Dominanz der dunklen Energie entspricht. (D. SOBRAL ET AL. (2013), MNRAS 428, 2, 1128–1146)

Die Sternentstehungsrate nahm einige Milliarden Jahre lang langsam und stetig ab, was einer Epoche entsprach, in der das Universum noch immer von Materie dominiert war und nur aus mehr verarbeitetem und gealtertem Material bestand. Es gab weniger Fusionen nach Anzahl, aber dies wurde teilweise durch die Tatsache kompensiert, dass größere Strukturen verschmolzen, was zu größeren Regionen führte, in denen sich Sterne bildeten.

Aber ungefähr im Alter von 6 bis 8 Milliarden Jahren begannen die Auswirkungen der Dunklen Energie, ihre Präsenz auf die Sternentstehungsrate bekannt zu machen, was dazu führte, dass sie steil abfiel. Wenn wir die größten Ausbrüche der Sternentstehung sehen wollen, haben wir keine andere Wahl, als weit weg zu schauen. Im ultra-fernen Universum war die Sternentstehung am höchsten, nicht lokal.

Hubbles fortschrittliche Kamera für Vermessungen identifizierte eine Reihe von weit entfernten Galaxienhaufen. Wenn die Dunkle Energie eine kosmologische Konstante ist, bleiben alle diese Cluster wie alle Galaxiengruppen und -cluster gravitativ gebunden, beschleunigen sich jedoch im Laufe der Zeit von uns und voneinander weg, da die Dunkle Energie weiterhin die Expansion des Universums dominiert. Diese weit entfernten Cluster weisen Sternentstehungsraten auf, die weitaus höher sind als die Cluster, die wir heute beobachten. (NASA, ESA, J. BLAKESLEE, M. POSTMAN UND G. MILEY / STSCI)

Solange im Universum noch Gas vorhanden ist und die Gravitation noch eine Sache ist, wird es Möglichkeiten geben, neue Sterne zu bilden. Wenn Sie eine Gaswolke nehmen und sie kollabieren lassen, landen nur etwa 10% dieses Materials in Sternen. Der Rest geht zurück in das interstellare Medium, wo es in ferner Zukunft eine weitere Chance bekommen wird. Obwohl die Sternentstehungsrate seit den Anfängen des Universums gesunken ist, wird nicht erwartet, dass sie auf Null abfällt, bis das Universum viele tausend Mal so alt ist wie heute. Wir werden weiterhin neue Sterne für Billionen von Billionen von Jahren bilden.

Aber trotz alledem sind neue Sterne heute viel seltener als jemals zuvor in unserer Vergangenheit, seit das Universum noch in den Kinderschuhen steckte. Mit dem Aufkommen des James Webb-Weltraumteleskops sollten wir herausfinden können, wie die Sternentstehung ihren Höhepunkt erreicht hat und welche Faktoren die Sternentstehungsrate in den frühen Tagen beeinflusst haben. Wir wissen bereits, wie das Universum aussieht und wie es heute abnimmt. Der nächste große Schritt, der fast vor uns liegt, besteht darin, zu lernen, wie es so geworden ist, wie es bei jedem Schritt in unserer Vergangenheit war.

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Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.