Warum sind Sterne so weit voneinander entfernt?

Die meisten Sterne haben eine Sonnenmasse oder darunter. Die durchschnittliche Anzahl von Begleitern, die jeder Stern hat (im Sinne von Teil eines binären oder höheren Mehrfachsystems), reicht von 0,75 für Sterne mit einer Sonnenmasse bis zu ungefähr 0,35 (keine gut etablierte Zahl) für die zahlreicheren M- Zwerge. Nehmen wir einen Kompromisswert, sagen wir 0,5. Die Trennungsverteilung dieser Vielfachen erreicht bei sonnenähnlichen Sternen einen Spitzenwert von etwa 50 AE und reduziert sich bei massearmen M-Zwergen auf etwa 5 AE. Nehmen wir wieder einen Kompromisswert von 20 AU. Siehe Duchene & Kraus (2013) für alle Details.

Wenn wir also 1000 Sterne nehmen, dann sind 333 davon (grob gesagt) Begleiter von weiteren 333 Sternen, während 333 isolierte Einzelsterne sind. (Hinweis: Dies bedeutet nicht, dass die Häufigkeit mehrerer Systeme 50 % beträgt, da einige der Begleiter in mehreren Systemen höherer Ordnung sein werden.)

Wenn Sie also Ihre Berechnung des Abstands zwischen Sternensystemen von 5 Lichtjahren ($= 3.2\times10^{5}$AU), dann ist der mittlere Abstand:

$$\bar{D} = 0.667\times 20 + 0.333 \times 3.2\times10^{5} \simeq 10^{5} AU,$$ aber der mittlere Abstand beträgt 20 AU!

Das ist natürlich Spitzfindigkeit, denn ich bin mir sicher, Ihre Frage lautet wirklich: Warum sind Sternensysteme so weit voneinander entfernt?

Sterne (und Sternsysteme) werden in viel dichteren Umgebungen geboren. Die Anzahldichte der Sterne im Orionnebelhaufen (ONC - die nächste sehr große Sternentstehung) beträgt etwa 1 pro Kubiklichtjahr. Die entsprechende Zahl für die Sonnennachbarschaft beträgt 0,004 Sterne pro Kubiklichtjahr. Somit beträgt der durchschnittliche interstellare Abstand im ONC 1 Lichtjahr, aber in der Nachbarschaft der Sonne etwa 6,3 Lichtjahre.

Der Grund für diese Trennung bei der Geburt ist die Jeanslänge – der kritische Radius, bei dem die Eigengravitation einer Wolke ihre thermische Energie überwindet und sie zum Kollabieren bringt. Es kann ausgedrückt werden als

$$\lambda_J = c_s \left( \frac{\pi}{G\rho } \right)^{1/2},$$ wo $c_s$ist die Schallgeschwindigkeit in einer Molekülwolke und $\rho$seine Dichte. Für sternbildende riesige Molekülwolken $c_s = 0.2$km/s und $\rho=10^{-23}$kg/m $^3$. So könnten Wolken von Größenordnungen von Hunderten von Lichtjahren zusammenbrechen. Dabei nimmt die Dichte zu und die Jeanslänge wird kleiner und lässt die Wolke fragmentieren. Wie weit genau die Fragmentierung geht und die Verteilung der Sternmassen, die sie erzeugt, ist ein Gebiet intensiver Forschung, aber wir wissen aus Beobachtungen, dass sie Dinge wie den ONC oder manchmal sogar noch massereichere und dichtere Haufen hervorbringen kann.

Daher wissen wir, dass ein neugeborener Sternhaufen normalerweise nicht sehr lange überlebt. Aus verschiedenen Gründen - Abflüsse, Winde und ionisierende Strahlung von neugeborenen Sternen können das verbleibende Gas erwärmen und ausstoßen; Die Sternentstehung scheint eine durchschnittliche Effizienz von wenigen bis vielleicht 20-30% zu haben. Das Ausstoßen des Gases plus das Gezeitenfeld der Galaxie bricht den Haufen auf und verteilt ihn im Feld, was uns die niedrigere Felddichte der Sterne (oder des Systems) gibt, die wir um uns herum sehen.

Sobald die Sterne Teil des Feldes sind, interagieren sie im Wesentlichen nicht mehr miteinander; Sie sind zu weit voneinander entfernt, um den Einfluss einzelner Objekte zu spüren, und bewegen sich abhängig vom gesamten Gravitationspotential der Galaxie. Ihre Betrachtung der Kraft zwischen Sternen ist also nicht wirklich relevant.

Der größte Teil des Universums ist ziemlich leer in Bezug auf die Dichte, an die Sie im täglichen Leben gewöhnt sind. Es ist vielleicht nicht so, dass Sterne weit voneinander entfernt sind, aber dass sie ziemlich kompakt sind. Dies liegt daran, dass baryonische Materie (im Gegensatz zu dunkler Materie) durch elektromagnetische Strahlung Energie verlieren und somit zu kleineren und dichteren Objekten kondensieren kann. Dem steht nur ein Drehimpuls (der nicht einfach abgestrahlt werden kann) entgegen, der scheibenartige Strukturen wie die Galaxie und protostellare und -planetare Scheiben erzwingt.

In der Milchstraße variiert die Dichte der Sterne stark zwischen dem Sternhalo, der Scheibe, der zentralen Ausbuchtung und den Kernen von Sternhaufen.

Ihr Konzept der Interaktionssphären ist jedoch fehlerhaft. Jeder Stern spürt die kombinierte Kraft aller anderen Sterne, sogar jener auf der anderen Seite der Galaxie. Das resultierende Gesamtgravitationspotential der Galaxie kann als räumlich und zeitlich glatt angenähert werden. Dies liegt daran, dass die gravitativen Wechselwirkungen zwischen einzelnen Sternen vergleichsweise schwach sind und einen vernachlässigbaren Effekt haben. Zusammen würden sie schließlich einen Stern aus seiner Umlaufbahn streuen, aber die Zeitskala dafür ist viel länger als die Hubble-Zeit. Bei den dichten Kernen von Sternhaufen ist die Situation anders und die sogenannte Zwei-Körper-Relaxation wirkt sich über ihre Lebenszeit auf ihre Struktur aus.

Im Mittelpunkt dieser Frage steht ein grundlegendes Missverständnis darüber, wie die Schwerkraft in einer (nahezu) reibungslosen Umgebung wie dem Weltraum funktioniert. Die Schwerkraft zieht Objekte direkt aufeinander zu, wodurch ihre Bewegung auseinander verlangsamt oder ihre Bewegung zusammen beschleunigt wird. Es hat jedoch überhaupt keine Auswirkung auf Bewegungen im rechten Winkel zu der Verbindungslinie. Wenn sich die beiden Objekte also anfänglich nicht in Ruhe befinden oder sich anfänglich genau entlang der sie verbindenden Linie (relativ zueinander) bewegen, werden sie sich niemals treffen (da sie endlich groß sind, könnten sie tatsächlich kollidieren, aber Sterne sind im Vergleich dazu sehr klein zum Zwischenraum). Die "Seitwärts"-Bewegung führt dazu, dass sie verfehlen. Sie schwingen aneinander vorbei, bewegen sich dann auseinander und entfernen sich mindestens bis zu ihrer anfänglichen Trennung, die von ihrem Schwung getragen wird.

Bei zwei im Raum isolierten und reibungsfreien Körpern führt die Schwerkraft also normalerweise nicht dazu, dass sie auf Dauer näher beieinander liegen, sondern nur etwa in ihrem ursprünglichen Abstand umeinander kreisen.