Когда будет максимальное количество звезд?

тл; Д.Р. Где-то между сегодняшним днем ​​и несколькими сотнями миллиардов лет. (Для сопутствующего тома) Теперь читайте дальше.

Если включить звездные остатки, то ответ действительно очень далеко в будущем, если и когда составные части барионов начнут распадаться. Итак, давайте предположим, что «звезды» означают те объекты, в которых происходят реакции ядерного синтеза, обеспечивающие их светимость. Далее предположим, что функция звездных масс ($N(m)$число звезд на единицу массы), которое мы видим в окрестностях Солнца, является репрезентативным для населения всех галактик во все времена (трудно начать, не предполагая этого).

Число родившихся звезд равно сумме по времени (интеграл) и по массе$N(m)$умножить на скорость, с которой масса превращается в звезды в сопутствующем объеме Вселенной$\Phi(t)$.

Затем нам нужно вычесть сумму по времени и массе скорости звездной смерти в том же сопутствующем объеме. Скорость звездной смерти — это скорость звездного рождения в момент времени.$t-\tau(m)$, где$\tau(m)$- время жизни звезды, зависящее от массы. Мы игнорируем перенос массы в двойных системах и предполагаем, что кратные можно рассматривать как независимые звездные компоненты.

Таким образом, количество звезд в момент$t$примерно

Я собирался (и, возможно, до сих пор буду) пытаться сделать некоторую аналитическую аппроксимацию, но Мадау и Дикинсон (2014) сделали это лучше и учли зависимость продолжительности жизни звезд от металличности и химическую эволюцию галактик. Скорость звездообразования достигла пика около 10 миллиардов лет назад, сейчас она более чем на порядок ниже и экспоненциально уменьшается с постоянной времени 3,9 миллиарда лет.

Интегральная звездная масса показана на их рис. 11 (показан ниже). Он продолжает расти и сегодня, но очень низкими темпами и не преодолел максимум. Причина этого в том, что большинство звезд имеют массу 0,2-0,3 массы Солнца и время жизни, намного превышающее возраст Вселенной. Даже если эти звезды добавляются очень медленно, уровень их смертности в настоящее время равен нулю.

Если бы звездообразование действительно продолжалось на низком уровне, то количество звезд начало бы значительно уменьшаться только после того, как звезды вблизи пика функции звездной массы, которые родились в самые ранние времена, начнут умирать. Время жизни звезды с массой 0,25 солнечной составляет около триллиона лет ( Лафлин и др., 1997 ).

С другой стороны, если бы звездообразование прекратилось сейчас , то число звезд немедленно начало бы уменьшаться.

Возможно, мы могли бы возразить, что нынешний экспоненциальный спад будет продолжаться, а пик наступит еще через несколько миллиардов лет, когда начнут отмирать звезды с массой 0,8–0,9 Солнца. Однако это футурология, учитывая, что у нас нет теории первых принципов, объясняющей зависимость звездообразования от времени, поэтому я считаю, что лучший ответ, который можно дать, — это где-то между сегодняшним днем ​​и несколькими сотнями миллиардов лет.

Обратите внимание, что этот ответ предполагает сопутствующий объем. Если заданный вопрос сформулирован в терминах наблюдаемой Вселенной, то, поскольку количество звезд почти достигло плато, ответ становится близким к тому возрасту, в котором объем наблюдаемой Вселенной максимален. Я говорю «близко к», потому что вы должны учитывать, что наблюдаемая Вселенная включает звезды в срезах расстояний во все космические эпохи. Я не хочу браться за этот ужасный расчет, но учтите, что текущая согласованная космологическая модель предполагает, что наша наблюдаемая Вселенная медленно увеличивается с радиуса примерно в 45 миллиардов световых лет в настоящее время до примерно 60 миллиардов световых лет в далеком будущем. Davis & Lineweaver 2005 , и это может компенсировать медленное уменьшение количества звезд в сопутствующем объеме.