Kiedy liczba gwiazd będzie maksymalna?

We wszechświecie jest z grubsza „mol” gwiazd. Wikipedia podaje szacunkową wartość choć liczba ta wiąże się z pewną debatą i niepewnością.$3 \times 10^{23}$

Chciałbym wiedzieć, czy istnieją szacunki, kiedy liczba gwiazd we wszechświecie zmaksymalizuje się. Czy ma wzrosnąć asymptotycznie do pewnego maksimum, czy też osiągnie wartość szczytową, a następnie zmniejszy się.

Podejrzewam, że może to zależeć od definicji „gwiazdy”, jeśli brązowe lub czarne obiekty karłowate zostaną policzone, czy nie. Nie chcę wstępnie określać, jest bardziej prawdopodobne, że dobra, dobrze poinformowana odpowiedź będzie zawierać te informacje.

TL; DR Gdzieś od teraz do kilkuset miliardów lat. (W przypadku ruchomego woluminu) Teraz czytaj dalej.

Jeśli uwzględnione zostaną pozostałości gwiezdne, odpowiedź jest naprawdę bardzo daleko w przyszłości, jeśli i kiedy składniki barionów zaczną się rozkładać. Załóżmy więc, że „gwiazdy” oznaczają te rzeczy, które podlegają reakcjom syntezy jądrowej, aby zasilić ich jasność. Załóżmy ponadto, że funkcja masy gwiezdnej ( $N(m)$ to liczba gwiazd na jednostkę masy), którą widzimy w sąsiedztwie Słońca, jest reprezentatywna dla populacji we wszystkich galaktykach przez cały czas (trudno rozpocząć, bez zakładania to).

Liczba urodzonych gwiazd jest równa sumie w czasie (całka) i masy $N(m)$ pomnożonej przez szybkość, z jaką masa zamienia się w gwiazdy w odpowiedniej objętości wszechświata $\Phi(t)$ .

Następnie musimy odjąć sumę w czasie i masę wskaźnika śmierci gwiezdnej w tej samej towarzyszącej objętości. Szybkość śmierci gwiezdnej to szybkość narodzin gwiezdnych w czasie $t-\tau(m)$ , gdzie $\tau(m)$ jest zależnym od masy czasem życia gwiezdnego. Ignorujemy przenoszenie masy w układach podwójnych i zakładamy, że wielokrotności można traktować jako niezależne elementy gwiezdne.

Zatem liczba gwiazd w czasie $t$ wynosi w przybliżeniu

Zamierzałem (i być może nadal będę) próbować jakiegoś analitycznego przybliżenia, ale Madau i Dickinson (2014) zrobili to lepiej i wzięli pod uwagę zależność metaliczności okresów życia gwiazd i chemiczną ewolucję galaktyk. Szybkość formowania się gwiazd osiągnęła wartość szczytową około 10 miliardów lat temu, jest teraz o ponad rząd wielkości niższa i wykładniczo maleje ze stałą czasową wynoszącą 3,9 miliarda lat.

Zintegrowana masa gwiazdowa jest pokazana na ich ryc. 11 (pokazano poniżej). Dziś nadal rośnie, ale w bardzo niskim tempie i nie przekroczył maksimum. Powodem tego jest fakt, że większość gwiazd ma masy 0,2-0,3 mas Słońca i jest znacznie dłuższa niż wiek wszechświata. Nawet jeśli te gwiazdy są dodawane w bardzo wolnym tempie, ich śmiertelność wynosi obecnie zero.

Gdyby formowanie gwiazd trwało nadal na niskim poziomie, liczba gwiazd zacząłaby się znacznie zmniejszać, gdy gwiazdy w pobliżu szczytu funkcji masy gwiezdnej, które urodziły się najwcześniej, zaczęły umierać. Żywotność gwiazdy o masie 0,25 Słońca wynosi około tryliona lat ( Laughlin i in. 1997 ).

Z drugiej strony, gdyby formowanie gwiazd ustało teraz, liczba gwiazd natychmiast zacząłaby się zmniejszać.

Być może moglibyśmy argumentować, że obecny wykładniczy spadek będzie kontynuowany, a szczyt przyjdzie za kilka miliardów lat, kiedy gwiazdy o masie 0,8-0,9 mas Słońca zaczną wymierać. Jest to jednak futurologia, biorąc pod uwagę, że nie mamy teorii pierwszych zasad, która wyjaśnia zależność formowania się gwiazd od czasu, więc uważam, że najlepszą odpowiedzią na to pytanie może być czas od teraz do kilkuset miliardów lat.

Pamiętaj, że ta odpowiedź zakłada głośność w ruchu. Jeśli zadane pytanie jest sformułowane w kategoriach obserwowalnego wszechświata, to dlatego, że liczba gwiazd prawie osiągnęła płaskowyż, odpowiedź staje się zbliżona do wieku, w którym objętość obserwowanego wszechświata jest zmaksymalizowana. Mówię „blisko”, ponieważ trzeba wziąć pod uwagę fakt, że obserwowalny wszechświat zawiera gwiazdy w odcinkach odległości we wszystkich epokach kosmicznych. Nie chcę przeprowadzać tych przerażających obliczeń, ale zauważam, że obecny model kosmologiczny zgodności ma nasz obserwowalny wszechświat powoli powiększający się z około 45 miliardów lat świetlnych teraz, do około 60 miliardów lat świetlnych w dalekiej przyszłości Davis i Lineweaver 2005 , oraz może to zrekompensować powolny spadek liczby gwiazd w poruszającej się objętości.