¿Por qué las estrellas están tan separadas?

La mayoría de las estrellas tienen una masa solar o inferior. El número medio de compañeras que tiene cada estrella (en el sentido de formar parte de sistemas binarios o múltiples superiores) oscila entre 0,75 para estrellas de una masa solar hasta aproximadamente 0,35 (un número no bien establecido) para las más numerosas M- enanos Tomemos un valor de compromiso, digamos 0.5. La distribución de separación de estos múltiplos alcanza un máximo de alrededor de 50 AU para estrellas de tipo solar, reduciéndose a alrededor de 5 AU para enanas M de baja masa. Nuevamente, tomemos un valor de compromiso de 20 AU. Ver Duchene & Kraus (2013) para todos los detalles.

Entonces, si tomamos 1000 estrellas, entonces 333 de ellas (en términos generales) son compañeras de otras 333 estrellas, mientras que 333 son estrellas individuales aisladas. (Nota: esto no significa que la frecuencia de los sistemas múltiples sea del 50%, porque algunos de los compañeros estarán en sistemas múltiples de orden superior)

Así, tomando su cálculo de la separación entre sistemas estelares de 5 años luz ($= 3.2\times10^{5}$AU), entonces la separación media es:

$$\bar{D} = 0.667\times 20 + 0.333 \times 3.2\times10^{5} \simeq 10^{5} AU,$$ ¡ pero la separación mediana es de 20 AU!

Por supuesto, esto es un sofisma, porque estoy seguro de que su pregunta es realmente, ¿por qué los sistemas estelares están tan separados?

Las estrellas (y los sistemas estelares) nacen en entornos mucho más densos. La densidad numérica de estrellas en el cúmulo de nebulosas de Orión (ONC, el vivero estelar muy grande más cercano) es de aproximadamente 1 por año luz cúbico. El número equivalente para el vecindario solar es de 0,004 estrellas por año luz cúbico. Así, la separación interestelar media en la ONC es de 1 año luz, pero en la vecindad solar es de unos 6,3 años luz.

La razón de esta separación al nacer es la longitud de Jeans, el radio crítico en el que la gravedad propia de una nube superará su energía térmica y provocará su colapso. Se puede expresar como

$$\lambda_J = c_s \left( \frac{\pi}{G\rho } \right)^{1/2},$$ donde $c_s$es la velocidad del sonido en una nube molecular y $\rho$su densidad. Para la formación estelar de nubes moleculares gigantes $c_s = 0.2$km/s y $\rho=10^{-23}$kg/m2 $^3$. Entonces, nubes de escala de cientos de años luz podrían colapsar. Mientras lo hacen, la densidad aumenta y la longitud de Jeans se vuelve más pequeña y permite que la nube se fragmente. Exactamente hasta dónde llega la fragmentación y la distribución de masas estelares que produce es un área de intensa investigación, pero sabemos por observación que puede producir cosas como el ONC o, a veces, incluso cúmulos más masivos y densos.

A partir de ahí sabemos que un cúmulo de estrellas recién nacido tiende a no sobrevivir mucho tiempo. Por varias razones: los flujos de salida, los vientos y la radiación ionizante de las estrellas recién nacidas pueden calentar y expulsar el gas restante; la formación de estrellas parece tener una eficiencia promedio de unos pocos a quizás 20-30%. Expulsando el gas, más el campo de marea de la galaxia rompe el cúmulo y lo dispersa en el campo, lo que nos da la menor densidad de estrellas (o sistemas) de campo que vemos a nuestro alrededor.

Una vez que las estrellas son parte del campo, esencialmente no interactúan entre sí; están demasiado separados para sentir la influencia de los objetos individuales y se mueven sujetos al potencial gravitacional general de la Galaxia. por lo que su consideración de la fuerza entre las estrellas no es realmente relevante.

La mayor parte del universo está bastante vacío en términos de la densidad a la que estás acostumbrado en la vida diaria. Quizás no sea que las estrellas estén muy separadas, sino que son bastante compactas. Esto se debe a que la materia bariónica (a diferencia de la materia oscura) puede perder energía a través de la radiación electromagnética y, por lo tanto, condensarse en objetos más pequeños y densos. A esto solo se opone el momento angular (que no se puede simplemente irradiar) que fuerza estructuras en forma de disco como la galaxia y los discos protoestelares y planetarios.

En la Vía Láctea, la densidad de estrellas varía mucho entre el halo estelar, el disco, la protuberancia central y los núcleos de los cúmulos estelares.

Sin embargo, su concepto de esferas de interacción es erróneo. Cada estrella siente la fuerza combinada de todas las demás estrellas, incluso las del otro lado de la Galaxia. El potencial gravitacional total resultante de la Galaxia se puede aproximar como uniforme en el espacio y el tiempo. Esto se debe a que las interacciones gravitacionales individuales estrella-estrella son comparativamente débiles y tienen un efecto insignificante. Combinados, eventualmente dispersarían una estrella fuera de su órbita, pero la escala de tiempo para eso es mucho más larga que el tiempo del Hubble. Para los núcleos densos de los cúmulos estelares, la situación es diferente y la llamada relajación de dos cuerpos afecta su estructura a lo largo de su vida.

En el centro de esta pregunta hay un malentendido fundamental sobre la forma en que funciona la gravedad en un entorno (casi) sin fricción, como el espacio. La gravedad atrae los objetos directamente uno hacia el otro, lo que actuará para ralentizar su movimiento por separado o acelerar su movimiento juntos. Sin embargo , no tiene ningún efecto sobre ningún movimiento en ángulo recto con la línea que los une.. Entonces, si los dos objetos no están inicialmente en reposo o inicialmente no se mueven exactamente a lo largo de la línea que los une (entre sí), nunca chocarán entre sí (debido a que tienen un tamaño finito, en realidad podrían colisionar, pero las estrellas son muy pequeñas en comparación al espacio entre ellos). El movimiento "hacia los lados" hará que se pierdan. Se balancearán uno al lado del otro, y luego se separarán y retrocederán al menos tanto como su separación inicial llevada por su impulso.

Entonces, para dos cuerpos aislados en el espacio y en ausencia de fricción, la gravedad normalmente no los lleva a estar más cerca a largo plazo, solo a que orbiten entre sí aproximadamente a su distancia original.