Wann wird die Anzahl der Sterne maximal sein?

TL; DR Irgendwo zwischen jetzt und ein paar hundert Milliarden Jahren. (Für einen gleichlaufenden Band) Lesen Sie jetzt weiter.

Wenn stellare Überreste eingeschlossen sind, liegt die Antwort tatsächlich sehr weit in der Zukunft, ob und wann die Bestandteile von Baryonen zu zerfallen beginnen. Nehmen wir also an, dass "Sterne" jene Dinge sind, die Kernfusionsreaktionen durchlaufen, um ihre Leuchtkraft zu steigern. Nehmen wir weiter an, dass die Sternmassenfunktion ($N(m)$ist die Anzahl der Sterne pro Masseeinheit), die wir in der Nähe der Sonne sehen, ist repräsentativ für die Populationen in allen Galaxien zu allen Zeiten (es ist schwierig, einen Anfang zu machen, ohne dies anzunehmen).

Die Anzahl der geborenen Sterne ist gleich der Summe über die Zeit (das Integral) und über die Masse von$N(m)$multipliziert mit der Geschwindigkeit, mit der Masse in einem mitbewegten Volumen des Universums in Sterne umgewandelt wird$\Phi(t)$.

Wir müssen dann eine Summe über Zeit und Masse der Rate des Sterntodes in demselben mitbewegten Volumen subtrahieren. Die Rate des Sterntodes ist die Rate der Sterngeburt zu einem bestimmten Zeitpunkt$t-\tau(m)$, Wo$\tau(m)$ist die masseabhängige Lebensdauer eines Sterns. Wir ignorieren den Massentransfer in Doppelsternsystemen und gehen davon aus, dass Vielfache als unabhängige stellare Komponenten behandelt werden können.

Daher die Anzahl der Sterne zur Zeit$t$ist circa

Ich wollte (und werde es möglicherweise immer noch) eine Art analytische Annäherung versuchen, aber Madau & Dickinson (2014) haben es besser gemacht und die Metallizitätsabhängigkeit der Lebensdauer von Sternen und die chemische Entwicklung von Galaxien berücksichtigt. Die Sternentstehungsrate erreichte vor etwa 10 Milliarden Jahren ihren Höhepunkt, ist jetzt mehr als eine Größenordnung niedriger und nimmt mit einer Zeitkonstante von 3,9 Milliarden Jahren exponentiell ab.

Die integrierte Sternmasse ist in ihrer Abb. 11 (unten gezeigt) dargestellt. Sie nimmt auch heute noch zu, aber mit einer sehr niedrigen Rate und hat ein Maximum noch nicht überschritten. Der Grund dafür ist, dass die meisten Sterne Massen von 0,2-0,3 Sonnenmassen und eine Lebensdauer haben, die viel länger ist als das Alter des Universums. Auch wenn diese Sterne nur sehr langsam hinzugefügt werden, ist ihre Todesrate derzeit null.

Wenn sich die Sternentstehung auf niedrigem Niveau fortsetzen würde, würde die Anzahl der Sterne erst dann signifikant abnehmen, wenn die Sterne in der Nähe der Spitze der Sternmassenfunktion, die zu den frühesten Zeiten geboren wurden, zu sterben beginnen. Die Lebensdauer eines Sterns mit 0,25 Sonnenmassen beträgt etwa eine Billion Jahre ( Laughlin et al. 1997 ).

Wenn andererseits die Sternentstehung jetzt aufhören würde , würde die Anzahl der Sterne sofort abnehmen.

Vielleicht könnten wir argumentieren, dass sich der gegenwärtige exponentielle Rückgang fortsetzen wird und der Höhepunkt in einigen Milliarden Jahren erreicht wird, wenn Sterne mit 0,8-0,9 Sonnenmassen zu sterben beginnen. Dies ist jedoch Zukunftsforschung, da wir keine Theorie der ersten Prinzipien haben, die die Zeitabhängigkeit der Sternentstehung erklärt. Daher glaube ich, dass die beste Antwort, die gegeben werden kann, irgendwo zwischen heute und einigen hundert Milliarden Jahren liegt.

Beachten Sie, dass diese Antwort ein sich mitbewegendes Volumen voraussetzt. Wenn die gestellte Frage in Bezug auf das beobachtbare Universum formuliert wird, dann liegt die Antwort nahe an dem Alter, in dem das Volumen des beobachtbaren Universums maximiert wird, da die Anzahl der Sterne fast ein Plateau erreicht hat. Ich sage "nah an", weil Sie berücksichtigen müssen, dass das beobachtbare Universum Sterne in Entfernungsscheiben zu allen kosmischen Epochen enthält. Ich bin nicht bereit, diese schreckliche Berechnung anzustellen, aber beachten Sie, dass das aktuelle kosmologische Konkordanzmodell unser beobachtbares Universum langsam von etwa 45 Milliarden Lichtjahren auf etwa 60 Milliarden Lichtjahre in der fernen Zukunft, Davis & Lineweaver 2005 , vergrößert Dies kann einen langsamen Rückgang der Anzahl von Sternen in einem sich mitbewegenden Volumen kompensieren.