Wenn es im Universum zu größeren Zusammenschlüssen von Galaxien ähnlicher Größe kommt, bilden sie aus dem darin enthaltenen 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 30 Millionen Lichtjahre entfernt liegt. (RÖNTGEN (NASA / CXC / VIRGINIA / A.REINES ET AL); RADIO (NRAO / AUI / NSF); OPTICAL (NASA / STSCI))

Wie war es, als Galaxien die größte Anzahl von Sternen 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 einige Regionen neue Sterne bilden, die gesamte Galaxie jedoch weitgehend ruhig ist. Einige Galaxien durchlaufen schnelle, intensive Perioden der Sternentstehung, von wechselwirkenden Spiralen, die mit Millionen neuer Sterne übersät sind, bis hin zu irregulären Starburst-Galaxien, in denen sich die gesamte Galaxie in eine Sternentstehungsregion verwandelt.

Aber im Durchschnitt ist die Rate der neuen Sternentstehung heute so niedrig wie seit den extremen Anfangsstadien des Universums nicht mehr. Die Mehrheit der Sterne im Universum hat sich erst in den ersten 1 bis 3 Milliarden Jahren gebildet, und seitdem ist die Sternentstehungsrate 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: Das beobachtbare Universum enthält eine festgelegte Menge an Material, aber das Raumgefüge selbst dehnt sich aus. Als das Universum noch jünger war, war zu erwarten, dass sich mehr Sterne bilden würden, da mehr Materie näher beieinander stapeln und Sterne bilden würde.

Aber auch in den frühen Tagen war das Universum einheitlicher. Zum Zeitpunkt des heißen Urknalls waren die dichtesten Regionen von allen nur etwa 0,01% dichter als eine typische, durchschnittliche Region, und daher dauert es lange, bis diese überlasteten Regionen wachsen und genug Materie sammeln, um Sterne, Galaxien, und noch größere Strukturen. Früh haben Sie Faktoren, die sowohl für Sie als auch gegen Sie arbeiten.

Galaxien, die derzeit Gravitationswechselwirkungen oder Fusionen ausgesetzt sind, bilden fast immer auch neue, helle, blaue Sterne. Einfacher Kollaps ist der Weg, um zuerst Sterne zu bilden, aber der größte Teil der Sternentstehung, die wir heute sehen, resultiert aus einem gewalttätigeren Prozess. Die unregelmäßigen oder gestörten Formen solcher Galaxien sind ein Schlüsselelement dafür, dass dies der Fall ist. (NASA, ESA, P. OESCH (UNIVERSITÄT GENF) UND M. MONTES (UNIVERSITÄT FÜR NEUE SÜDWALE))

Die Art und Weise, wie Sie Sterne formen, 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 einer großen, nahe gelegenen Masse oder schnell ausgestoßenes Material einer Supernova oder ein Gammastrahlenexplosion, diese Art von Kollaps und auch neue Sternentstehung 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 Cigar-Galaxie), die sich in der Gravitation befindet beeinflusst von seinem Nachbarn, Messier 81.

Bei der Starburst-Galaxie Messier 82, bei der Materie ausgestoßen wurde, wie die roten Jets zeigen, wurde diese Welle der aktuellen Sternentstehung durch eine enge Wechselwirkung mit der Gravitation 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)

Aber der größte Auslöser für die Sternentstehung ist das, was Astronomen eine große Fusion nennen. Wenn zwei vergleichbar große Galaxien kollidieren und zusammenfließen, kann eine riesige Sternentstehungswelle 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 derselben Geschwindigkeit oder in der Nähe derselben stattfindet wie auf ihrem Höhepunkt? Kaum. Die meisten dieser großen Fusionen sind bereits weit im Rückspiegel der Universumsgeschichte verankert. Die Expansion des Universums ist wie die Gravitation ein unerbittliches Phänomen. Das Problem ist, dass ein Wettbewerb stattfindet und die Gravitation vor langer Zeit verloren gegangen ist.

Die erwarteten Schicksale des Universums (die drei oberen 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 unerklärt ist. Alle diese Universen unterliegen den Friedmann-Gleichungen, die die Ausdehnung des Universums auf die verschiedenen Arten von Materie und Energie beziehen, die in ihm vorhanden sind. (E. SIEGEL / ÜBER DIE GALAXIE HINAUS)

Wenn das Universum zu 100% aus Materie bestehen würde und die anfängliche Expansionsrate und die Materiedichte perfekt ausbalanciert wären, würden wir in einem Universum leben, das in Zukunft immer größere Fusionen haben würde. Die Größe der großflächigen Struktur, die gebildet wird, ist unbegrenzt:

  • Sternhaufen würden zu Protogalaxien verschmelzen,
  • Protogalaxien würden in junge, kleine Galaxien verschmelzen,
  • diese Galaxien würden in die großen Spiralen, die wir heute haben, verschmelzen,
  • Spiralen verschmelzen zu riesigen Ellipsen,
  • Spiralen und Ellipsen würden in Gruppen fallen,
  • Cluster würden kollidieren und Supercluster bilden,
  • und Supercluster bilden sich zusammen, was zu Megaclustern führt,

und so weiter. Während die Zeit verging, gab es keine Begrenzung für das Ausmaß, mit dem das kosmische Netz wuchs und wuchs.

Das kosmische Netz der Dunklen 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-Punkte sind dunkle Materie, und keine Menge normaler Materie wird diese loswerden. Wenn es keine dunkle Energie im Universum gäbe, würde die Struktur im Laufe der Zeit immer größer und größer werden. (DIE MILLENIUM-SIMULATION, V. SPRINGEL ET AL.)

Für alle Fans neuer Stars ist das leider 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 eine Form dunkler Materie. Darüber hinaus kommt der größte Teil der Energie des Universums in Form von Dunkler Energie, die nur dazu dient, die ungebundenen Strukturen auseinanderzutreiben.

Infolgedessen erhalten wir keine großräumigen Strukturen, die über die Größe von Galaxienhaufen hinaus gebunden sind. Sicher, einige Galaxienhaufen werden sich zusammenschließen, aber es gibt keinen Superhaufen. Diese scheinbaren Strukturen sind bloße Phantasmen, die zerstört werden, 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 täuschenden 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, R. B., COURTOIS, H., HOFFMAN, Y & POMARÈDE, D. NATURE 513, 71–73 (2014))

Wie sieht unsere Sternentstehungsgeschichte angesichts des uns vorliegenden Universums aus? Die ersten Sterne entstehen nach vielleicht 50 bis 100 Millionen Jahren, wenn die kleinräumigen Molekülwolken genügend Materie ansammeln können, um zusammenzubrechen. Mit der Zeit, in der das Universum etwa 200 bis 250 Millionen Jahre alt ist, haben sich die ersten Sternhaufen zusammengeschlossen, wodurch eine neue Sternentstehungswelle ausgelöst und die frühesten Galaxien gebildet wurden. Mit der Zeit ist das Universum 400 bis 500 Millionen Jahre alt, die größten Galaxien sind bereits auf einige Milliarden Sonnenmassen angewachsen: rund 1% der Masse der Milchstraße.

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

Eine Sternenkindertagesstätte in der Großen Magellanschen Wolke, einer Satellitengalaxie der Milchstraße. Dieses neue, naheliegende Zeichen der Sternentstehung mag allgegenwärtig erscheinen, aber die Geschwindigkeit, mit der sich heute im gesamten Universum neue Sterne bilden, ist nur ein paar Prozent dessen, was es zu Beginn seiner Blütezeit war (NASA, ESA UND THE HUBBLE) HERITAGE TEAM (STSCI / AURA) - ESA / HUBBLE-ZUSAMMENARBEIT

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 zusammenwirken. Sterne entstehen aus (meistens) Wasserstoff und Heliumgas, die zusammenbrechen und die Kernfusion entzünden. Diese Verschmelzung erhöht den Innendruck und bewirkt, dass ein Großteil des möglicherweise sternförmigen Materials ausgestoßen wird. Während sich Galaxien zu Gruppen und Clustern zusammenballen, wird das Gravitationspotential größer, aber das intergalaktische Medium erhält auch mehr Material darin. Dies bedeutet, dass während Galaxien durch dichtere Regionen des Weltraums rasen, ein Großteil dieses potenziell sternbildenden Materials abgestreift wird.

Eine der schnellsten bekannten Galaxien im Universum, die mit ein paar Prozent Lichtgeschwindigkeit durch ihren Haufen (und ohne Gas) fliegt: Tausende von km / s. Spuren von Sternen bilden sich in der Folge, während die dunkle Materie mit der ursprünglichen Galaxie fortfährt. (NASA, ESA, JEAN-PAUL KNEIB (LABORATOIRE D’ASTROPHYSIQUE DE MARSEILLE) ET AL.)

Außerdem wird im Laufe der Zeit immer mehr Material verarbeitet, das in diesen Galaxien vorkommt: gefüllt mit immer schwereren Elementen. In einer neuen Studie von UC Riverside-Wissenschaftlern stellten sie fest, dass eine sternbildende Galaxie umso langsamer Sterne bildet, je älter sie ist.

Unter Verwendung einiger ihrer eigenen 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 im mittleren Alter ist (6 Milliarden Jahre alt), und 5 Milliarden Jahre im heutigen Universum.

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

Der Pandora-Cluster, früher bekannt als Abell 2744, ist eine kosmische Zerschlagung von vier unabhängigen Galaxienhaufen, die alle unter der unwiderstehlichen Schwerkraft zusammengebracht wurden. Tausende von Galaxien mögen hier zu sehen 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 ursprüngliches (oder noch mehr ursprüngliches) Material und viele weitere Fusionen von Galaxien vergleichbarer Größe. Wenn große Galaxien in Haufen verschmolzen, bildeten sie damals zuerst Haufen, was bedeutete, dass es weniger Massenabbau und mehr Sternexplosion gab, wenn Galaxien wechselwirkten. Und obwohl Galaxien heute größer sind als damals, waren sie nach ein paar Milliarden Jahren immer noch beträchtlich, und Fusionen waren weitaus häufiger.

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

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

Die Sternentstehungsrate ging einige Milliarden Jahre lang langsam und stetig zurück, was einer Epoche entsprach, in der das Universum noch immer von Materie beherrscht 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.

Ungefähr im Alter von 6 bis 8 Milliarden Jahren machten die Auswirkungen der Dunklen Energie ihre Präsenz auf die Sternentstehungsrate deutlich und ließen sie steil absinken. 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 größten, nicht lokal.

Hubbles fortschrittliche Kamera für Vermessungen identifizierte eine Reihe von Galaxienhaufen in extremer Entfernung. Wenn die Dunkle Energie eine kosmologische Konstante ist, bleiben alle diese Cluster wie alle Galaxiengruppen und -haufen selbst gravitativ gebunden, werden sich jedoch im Laufe der Zeit von uns und voneinander entfernen, da die Dunkle Energie weiterhin die Expansion des Universums dominiert. Diese ultradistanten Cluster weisen Sternentstehungsraten auf, die weit über den heute beobachteten Clustern liegen. (NASA, ESA, J. BLAKESLEE, M. POSTMAN UND G. MILEY / STSCI)

Solange sich noch Gas im Universum befindet und die Gravitation eine Sache ist, wird es Gelegenheiten geben, neue Sterne zu bilden. Wenn Sie eine Gaswolke nehmen und sie kollabieren lassen, werden nur etwa 10% dieses Materials in Sternen aufgewickelt. Der Rest geht zurück in das interstellare Medium, wo er in ferner Zukunft eine weitere Chance bekommt. Obwohl die Sternentstehungsrate seit den Anfängen des Universums gesunken ist, ist nicht zu erwarten, dass sie auf Null sinkt, bevor das Universum viele tausend Jahre alt ist. Wir werden weiterhin für Billionen über Billionen von Jahren neue Sterne formen.

Aber trotz allem sind neue Sterne heutzutage weitaus seltener als zu irgendeinem Zeitpunkt in unserer Vergangenheit, seit das Universum in den Kinderschuhen steckte. Wir sollten in der Lage sein herauszufinden, wie die Sternentstehung ihren Höhepunkt erreichte und welche Faktoren die Sternentstehungsrate in den frühen Tagen mit dem Aufkommen des James Webb-Weltraumteleskops beeinflussten. Wir wissen bereits, wie das Universum aussieht und wie es heute abnimmt. Der nächste große Schritt, der fast vor uns liegt, ist zu lernen, wie es gewachsen 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 aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.