Quando nell'universo si verificano importanti fusioni di galassie di dimensioni simili, formano nuove stelle dall'idrogeno e dall'elio gas presenti al loro interno. Ciò può comportare un aumento della velocità della formazione stellare, simile a quello che osserviamo nella vicina galassia Henize 2–10, situata a 30 milioni di anni luce di distanza. (RAGGI X (NASA / CXC / VIRGINIA / A.REINES ET AL); RADIO (NRAO / AUI / NSF); OTTICO (NASA / STSCI))

Com'era quando le galassie formavano il maggior numero di stelle?

Per oltre 10 miliardi di anni, il tasso di formazione stellare in tutto l'Universo è precipitato. Ecco la storia.

Dai un'occhiata a una vasta gamma di galassie nell'Universo e troverai una serie di storie molto diverse. I più grandi sono ellittiche giganti, molte delle quali non hanno formato nuove stelle nell'ultima metà della nostra intera storia cosmica. Molte galassie a spirale sono come la nostra Via Lattea, con un piccolo numero di regioni che formano nuove stelle, ma in cui la galassia complessiva è in gran parte silenziosa. E alcune galassie stanno attraversando periodi rapidi e intensi di formazione stellare, da spirali interagenti disseminate di milioni di nuove stelle a galassie stellari irregolari, dove l'intera galassia si trasforma in una regione di formazione stellare.

Ma in media, i tassi di formazione di nuove stelle oggi sono i più bassi che siano stati dai tempi estremi dell'Universo. La maggior parte delle stelle nell'Universo si è formata solo nei primi 1-3 miliardi di anni e da allora il tasso di formazione stellare è precipitato. Ecco la storia cosmica dietro di essa.

Un'immagine composita di Hubble / Spitzer dell'ammasso di galassie SpARCS1049 + 56 mostra come una fusione (centro) ricca di gas può innescare la formazione di nuove stelle. (NASA / STScI / ESA / JPL-CALTECH / MCGILL)

All'inizio dell'Universo, la materia è molto più densa di quanto non sia oggi. C'è una ragione molto semplice per questo: c'è una quantità fissa di materiale nell'Universo osservabile, ma il tessuto dello spazio stesso si sta espandendo. Quindi ti aspetteresti, quando l'Universo fosse più giovane, che ci sarebbe più formazione stellare, poiché più materia sarebbe più vicina per aggregare e formare le stelle.

Ma anche ai primi tempi, l'Universo era più uniforme. Al momento del caldo Big Bang, le regioni più dense di tutte erano solo circa lo 0,01% più dense di una tipica regione media, e quindi ci vuole molto tempo per far crescere quelle regioni in eccesso e raccogliere abbastanza materia per formare stelle, galassie, e strutture ancora più grandi. All'inizio, hai dei fattori che lavorano sia per te che contro di te.

Le galassie che stanno attualmente subendo interazioni o fusioni gravitazionali stanno quasi sempre formando nuove, luminose stelle blu. Il semplice collasso è inizialmente il modo di formare le stelle, ma la maggior parte della formazione stellare che vediamo oggi deriva da un processo più violento. Le forme irregolari o perturbate di tali galassie sono una firma chiave che questo è ciò che sta accadendo. (NASA, ESA, P. OESCH (UNIVERSITÀ DI GINEVRA) E M. MONTES (UNIVERSITÀ DI NUOVI GALLES DEL SUD))

Il modo in cui formi le stelle è piuttosto semplice: ottieni una grande quantità di massa insieme nello stesso punto, lascia che si raffreddi e collassi, e ottieni una nuova regione che forma le stelle. Spesso, un grande innesco esterno, come le forze di marea provenienti da una grande massa vicina o materiale espulso rapidamente da una supernova o da uno scoppio di raggi gamma, può causare questo tipo di collasso e anche una nuova formazione stellare.

Lo vediamo nell'universo vicino, sia nelle regioni all'interno di una galassia, come la Nebulosa Tarantola nella Grande Nuvola Magellanica, sia sulle scale di intere galassie stesse, come in Messier 82 (la galassia dei sigari), che viene gravitazionalmente influenzato dal suo vicino, Messier 81.

La galassia starburst Messier 82, con la materia espulsa come mostrato dai getti rossi, ha avuto questa ondata di formazione stellare corrente innescata da una stretta interazione gravitazionale con il suo vicino, la galassia a spirale luminosa Messier 81. (NASA, ESA, THE HUBBLE HERITAGE TEAM, (STSCI / AURA); RICONOSCIMENTO: M. MOUNTAIN (STSCI), P. PUXLEY (NSF), J. GALLAGHER (U. WISCONSIN))

Ma il più grande fattore scatenante per la formazione stellare di tutti è durante quella che gli astronomi chiamano una fusione importante. Quando due galassie comparabili si scontrano e si fondono insieme, un'enorme ondata di formazione stellare può avvolgere l'intera galassia, causando quello che chiamiamo uno scoppio di stelle. Questi sono i più grandi esempi di formazione stellare nell'Universo e alcuni di essi si verificano anche oggi.

Ciò significa che la formazione stellare continua a verificarsi alle stesse velocità, o vicino a loro, come al suo apice? Quasi. La maggior parte di queste importanti fusioni sono già lontane dallo specchio retrovisore della storia dell'Universo. L'espansione dell'Universo è un fenomeno inarrestabile, proprio come la gravitazione. Il problema è che c'è una competizione in corso e la gravitazione ha perso molto tempo fa.

I destini previsti dell'Universo (prime tre illustrazioni) corrispondono tutti a un Universo in cui la materia e l'energia combattono contro il tasso di espansione iniziale. Nel nostro Universo osservato, un'accelerazione cosmica è causata da un qualche tipo di energia oscura, che fino ad ora non è stata spiegata. Tutti questi universi sono governati dalle equazioni di Friedmann, che mettono in relazione l'espansione dell'Universo con i vari tipi di materia ed energia presenti al suo interno. (E. SIEGEL / OLTRE LA GALASSIA)

Se l'Universo fosse composto al 100% dalla materia, e il tasso di espansione iniziale e la densità della materia si bilanciassero perfettamente, vivremmo in un Universo che avrebbe sempre grandi fusioni nel suo futuro. Non ci sarebbero limiti alle dimensioni della struttura su larga scala formata:

  • ammassi stellari si fonderebbero in proto-galassie,
  • le proto-galassie si fonderebbero in giovani, piccole galassie,
  • quelle galassie si fonderebbero nelle grandi spirali che abbiamo oggi,
  • le spirali si fonderebbero insieme per formare ellittiche giganti,
  • spirali ed ellittiche cadono in gruppi,
  • i cluster si scontrerebbero e formerebbero supercluster,
  • e i supercluster si formerebbero insieme, portando a megacluster,

e così via. Col passare del tempo, non ci sarebbe limite alla scala con cui la rete cosmica cresceva e cresceva.

La rete cosmica della materia oscura e la struttura su larga scala che forma. La materia normale è presente, ma è solo 1/6 della materia totale. Gli altri 5/6 sono la materia oscura e nessuna quantità di materia normale si libererà di ciò. Se non ci fosse energia oscura nell'Universo, la struttura continuerebbe a crescere e crescere su scale sempre più grandi col passare del tempo. (LA SIMULAZIONE DEL MILLENNIO, V. SPRINGEL ET AL.)

Sfortunatamente, per tutti voi appassionati di nuove stelle, questo non è il nostro Universo. Il nostro Universo ha molta meno materia di quello, e la maggior parte della materia che abbiamo non è affatto materiale formante stelle, ma piuttosto una qualche forma di materia oscura. Inoltre, la maggior parte dell'energia dell'universo si presenta sotto forma di energia oscura, che serve solo a separare le strutture non legate.

Di conseguenza, non otteniamo strutture su larga scala legate oltre le dimensioni degli ammassi di galassie. Certo, alcuni ammassi di galassie si fonderanno insieme, ma non esiste un supercluster; quelle strutture apparenti sono semplici fantasmi, da distruggere mentre l'Universo continua ad espandersi.

Il supercluster Laniakea, contenente la Via Lattea (punto rosso), alla periferia del Cluster Vergine (grande collezione bianca vicino alla Via Lattea). Nonostante l'aspetto ingannevole dell'immagine, questa non è una struttura reale, poiché l'energia oscura allontanerà la maggior parte di questi ammassi, frammentandoli col passare del tempo. (COMPLETAMENTE, R. B., COURTOIS, H., HOFFMAN, Y & POMARÈDE, D. NATURE 513, 71–73 (2014))

Dato l'Universo che abbiamo, allora, che aspetto ha la nostra storia della formazione stellare? Le prime stelle si formano dopo forse 50–100 milioni di anni, quando le nuvole molecolari su piccola scala possono accumulare abbastanza materia per collassare. Quando l'Universo ha circa 200–250 milioni di anni, i primi ammassi stellari si sono fusi insieme, innescando una nuova ondata di formazione stellare e formando le prime galassie. Con il tempo l'Universo ha 400-500 milioni di anni, le più grandi galassie sono già cresciute fino a raggiungere qualche miliardo di masse solari: circa l'1% della massa della Via Lattea.

Poco dopo, iniziano a formarsi i primi ammassi di galassie, le principali fusioni diventano comuni e la rete cosmica inizia a diventare sempre più densa. Per i primi 2-3 miliardi di anni dell'Universo, il tasso di formazione stellare continua a salire.

Un vivaio stellare nella Grande nuvola di Magellano, una galassia satellite della Via Lattea. Questo nuovo, vicino segno di formazione stellare può sembrare onnipresente, ma il ritmo con cui le nuove stelle si formano oggi, in tutto l'Universo, è solo un po 'per cento di quello che era al suo apice iniziale (NASA, ESA E THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI / AURA) -ESA / HABBLE COLLABORATION)

Questo aumento, tuttavia, non continua oltre questo punto. Dopo circa 3 miliardi di anni, il tasso di formazione stellare inizia a scendere, e in seguito precipita in modo precipitoso e continuo.

Cosa sta succedendo per causarlo?

Una serie di fattori, tutti funzionanti in tandem. Le stelle si formano da (principalmente) idrogeno ed elio gassoso, che collassano e innescano la fusione nucleare. Questa fusione aumenta la pressione interna, lavorando per espellere gran parte del materiale potenzialmente a forma di stella. Man mano che le galassie si raggruppano per formare gruppi e ammassi, il potenziale gravitazionale aumenta, ma anche il mezzo intergalattico riceve più materiale al suo interno. Ciò significa che mentre le galassie attraversano velocemente le regioni più spesse dello spazio, gran parte di questo materiale potenzialmente a forma di stella viene rimosso.

Una delle galassie più veloci conosciute nell'Universo, che accelera attraverso il suo ammasso (e viene spogliata del suo gas) con una velocità di qualche percento della velocità della luce: migliaia di km / s. Sulla scia si formano tracce di stelle, mentre la materia oscura continua con la galassia originale. (NASA, ESA, JEAN-PAUL KNEIB (LABORATOIRE D’ASTROPHYSIQUE DE MARSEILLE) ET AL.)

Inoltre, sempre più materiale trovato in queste galassie viene elaborato con il passare del tempo: riempito con elementi sempre più pesanti. In un nuovo studio condotto da scienziati della UC Riverside, hanno scoperto che più vecchia è una galassia a forma di stella, più lenta forma le stelle.

Usando alcuni dei loro nuovi cluster SpARCS scoperti, il nuovo studio guidato da UCR ha scoperto che ci vuole più tempo per una galassia per smettere di formare le stelle mentre l'universo invecchia: solo 1,1 miliardi di anni quando l'universo era giovane (4 miliardi di anni), 1.3 miliardi di anni quando l'universo è di mezza età (6 miliardi di anni) e 5 miliardi di anni nell'universo attuale.

In altre parole, le nuove stelle si formano a un ritmo più rapido all'inizio e ad un ritmo più lento oggi. Aggiungi energia oscura, che impedisce alla struttura aggiuntiva di formarsi, e hai una ricetta per un universo molto silenzioso.

Il Pandora Cluster, noto formalmente come Abell 2744, è un fracasso cosmico di quattro ammassi di galassie indipendenti, tutti riuniti sotto l'irresistibile forza di gravità. Migliaia di galassie possono essere evidenti qui, ma l'Universo stesso ne contiene forse due trilioni. (NASA, ESA E J. LOTZ, M. MOUNTAIN, A. KOEKEMOER e THE HFF TEAM)

Mettiamo tutto insieme, ora. All'inizio, c'era un sacco di materiale incontaminato (o più incontaminato) e si verificano molte più fusioni di galassie di dimensioni comparabili. Quando le grandi galassie si sono fuse in ammassi, prima si stavano formando ammassi allora, il che significa che c'era meno stripping di massa e più starburst quando le galassie interagivano. E anche se oggi le galassie sono più grandi di quanto non fossero allora, erano ancora sostanziali dopo pochi miliardi di anni e le fusioni erano molto più comuni.

Tutto sommato, secondo gli studi più completi mai condotti, il tasso di formazione stellare è diminuito di un enorme 97% dal suo massimo, 11 miliardi di anni fa.

Il tasso di formazione stellare ha raggiunto il picco quando l'Universo aveva circa 2,5 miliardi di anni e da allora è in calo. Nel recente passato, il tasso di formazione stellare è effettivamente precipitato, corrispondente all'insorgenza del dominio dell'energia oscura. (D. SOBRAL ET AL. (2013), MNRAS 428, 2, 1128-1146)

Il tasso di formazione stellare è diminuito lentamente e costantemente per alcuni miliardi di anni, corrispondente a un'epoca in cui l'Universo era ancora dominato dalla materia, costituito solo da materiale più elaborato e invecchiato. Ci furono meno fusioni per numero, ma ciò fu parzialmente compensato dal fatto che strutture più grandi si stavano unendo, portando a regioni più grandi dove si formavano le stelle.

Ma all'incirca dai 6 agli 8 miliardi di anni, gli effetti dell'energia oscura iniziarono a far conoscere la loro presenza sul tasso di formazione stellare, facendolo precipitare precipitosamente. Se vogliamo vedere i più grandi scoppi di formazione stellare, non abbiamo altra scelta che guardare lontano. L'universo ultra distante è il punto in cui la formazione stellare era al massimo, non localmente.

La fotocamera avanzata di Hubble per i sondaggi ha identificato una serie di ammassi di galassie ultra distanti. Se l'energia oscura è una costante cosmologica, tutti questi ammassi rimarranno legati gravitazionalmente, come tutti i gruppi e ammassi di galassie, ma nel tempo accelereranno lontano da noi e l'un l'altro mentre l'energia oscura continua a dominare l'espansione dell'Universo. Questi cluster ultra-distanti mostrano tassi di formazione stellare molto maggiori di quelli che osserviamo oggi. (NASA, ESA, J. BLAKESLEE, M. POSTMAN E G. MILEY / STSCI)

Finché rimane gas nell'Universo e la gravitazione è ancora una cosa, ci saranno opportunità di formare nuove stelle. Quando prendi una nuvola di gas e permetti che collassi, solo circa il 10% di quel materiale finisce nelle stelle; il resto ritorna nel mezzo interstellare dove avrà un'altra possibilità in un lontano futuro. Sebbene il tasso di formazione stellare sia crollato dai primi giorni dell'Universo, non si prevede che scenderà a zero fino a quando l'Universo non avrà raggiunto migliaia di volte la sua età attuale. Continueremo a formare nuove stelle per trilioni e trilioni di anni.

Ma anche con tutto ciò che ha detto, le nuove stelle sono molto più rarefatte di quanto non siano mai state in qualsiasi momento del nostro passato da quando l'Universo era agli inizi. Dovremmo essere in grado di scoprire come la formazione stellare ha raggiunto il suo apice e quali sono stati i fattori che hanno modellato il tasso di formazione stellare nei primi giorni, con l'avvento del James Webb Space Telescope. Sappiamo già come appare l'Universo e come sta diminuendo oggi. Il prossimo grande passo, che è quasi alle porte, è imparare come è cresciuto per essere come era ad ogni passo nel nostro passato.

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Starts With A Bang è ora su Forbes e ripubblicato su Medium grazie ai nostri sostenitori di Patreon. Ethan ha scritto due libri, Beyond The Galaxy e Treknology: The Science of Star Trek da Tricorders a Warp Drive.