¿Qué densidad numérica estelar tendrían que tener dos galaxias para que otra estrella colisione con el Sol durante una fusión galáctica?

Nota: Esto surgió de cierta molestia que tuve con la etiqueta de ciencia dura , y el objetivo de esta pregunta es atraer algunas respuestas de muy alta calidad que merece cualquier pregunta que use la etiqueta. Una respuesta que cumpla con los estrictos criterios de la etiqueta recibirá una recompensa y mi gratitud.

La Vía Láctea y Andrómeda chocarán unos miles de millones de años en el futuro. Las colisiones estelares serán raras porque, como dijo Douglas Adams, "el espacio es grande. Muy, muy grande". En el disco galáctico, la densidad numérica de estrellas es bastante baja. Lo más probable es que el Sistema Solar no sea expulsado de la galaxia ni choque con otra estrella.

Me gustaría que la estrella en mi sistema planetario - similar al Sistema Solar, para todos los efectos - en una galaxia espiral como la Vía Láctea colisione con otra estrella en una galaxia espiral Andrómeda, durante la colisión.

Obviamente, no hay forma de que haya un 100% de posibilidades de que esto suceda. Me conformaría con un 90% de posibilidades, más o menos.

¿Qué densidad numérica estelar tendrían que tener ambas galaxias?

O, como dice Ayelis ,

Entonces, básicamente, ¿cuántas estrellas (de una distribución de clase estelar típica) necesitaría contener la galaxia de Andrómeda dentro de sus límites actuales para representar una amenaza razonable (90%+) de una colisión estelar con nuestro Sol cuando nuestras galaxias colisionen?

Por cierto, conozco este artículo de Cox y Loeb.

Recuerde, esta pregunta tiene la etiqueta de ciencia dura . Asegúrese de entender qué tipo de respuestas se esperan. No quiero asustar a nadie, pero realmente quiero respuestas increíbles aquí. El buen trabajo será absolutamente recompensado.

Nota: Sí, sé que el número resultante será bastante grande. Sin embargo, será finito y calculable. Simplemente decir: "Es demasiado grande porque [razones x, y, z]" no es suficiente. Las ecuaciones no mienten.

Esto está en la línea de worldbuilding.stackexchange.com/questions/19000/… , FYI, en el sentido de que está diseñado para fomentar respuestas excelentes y bien pensadas. Así, me complace aclarar cualquier cosa que no esté clara (o que se base en nociones inexactas).
La cuestión es que está combinando la posibilidad de que 2 estrellas colisionen entre dos galaxias y una estrella específica colisione con una de otra galaxia. Es como si las posibilidades de que 2 personas tengan el mismo cumpleaños en una habitación de 30 son casi una garantía, frente a que otra persona en la misma habitación tenga MI cumpleaños.
@bowlturner Ese no es el caso. No busco la probabilidad de que una estrella de la galaxia choque con otra, sino que colisione una estrella dada.
Entonces, realmente desea que la densidad de la galaxia 'A' sea tal que la estrella 'B' de la galaxia 'B' colisione (¿~% 90 o 1 desviación estándar de la media?) Con otra (cualquier) estrella en la galaxia 'A'.
@bowlturner Sí.
Mi matemática práctica no es tan mala. ;) ¡Pero siempre es una posibilidad! Hazlo tan #1...
¿Podrían todas las estrellas de la galaxia B ser supergigantes azules o debe haber una distribución uniforme? ¿Puede el centro de dicha galaxia viajar a través del camino del Sol de frente, o solo quieres un golpe de refilón? ;)
@Ayelis Debería haber una distribución típica en términos de masa, dada por, digamos, la función de masa inicial de Salpeter. El ángulo y la posición del impacto deberían ser similares a la colisión de Andrómeda en la Vía Láctea, si puede encontrar datos al respecto.
Entonces, básicamente, ¿cuántas estrellas (de una distribución de clase estelar típica) necesitaría contener la galaxia de Andrómeda dentro de sus límites actuales para representar una amenaza razonable (90%+) de una colisión estelar con nuestro Sol cuando nuestras galaxias colisionen?
@Ayelis Sí. Eso lo reduce bien.
Este es un cálculo de probabilidad (como probablemente sepa). La probabilidad de colisión de al menos una estrella durante una fusión típica de galaxias es alta, pero no del 100%. Sin embargo, para obtener una probabilidad del 90% de que una estrella específica (el Sol) colisione con otra, se requerirían densidades estelares ridículas. Dicho de otra manera, para que el Sol tenga una probabilidad de colisión del 90%, esta tendría que ser la tasa de colisión promedio para la fusión de galaxias, por lo que el 90% de las estrellas de la galaxia tendrían que chocar con otras estrellas.
El mejor método para hacer este cálculo sería el enfoque de ruta de partículas (asegurándose de que las rutas no se crucen), pero no he hecho ese tipo de cálculo desde los años 80. Para [la ciencia dura] calcular esto, necesitaría tiempo de supercomputación y un equipo de científicos para escribir el código. Supongo que, en el mejor de los casos, estas densidades estelares son raras y es posible que en realidad no existan. Considere que nuestro Sol al pasar por un sistema de 3 o 4 estrellas conduce a un >> 99% de posibilidades de perder todas las estrellas.
Para ser justos, hay MUCHAS enanas rojas en tu galaxia típica. Me sorprendería si no tuviéramos algunos cuasi accidentes... Por otra parte, en nuestro caso no es la Tierra de lo que tendríamos que preocuparnos, como si no nos hubiéramos marchado para entonces, habría sido horneado por el aumento de la producción del Sol .
Las hay, pero incluso con las enanas rojas, la densidad es ridículamente baja. Para ponerlo en perspectiva, el sistema solar tiene aproximadamente 27 litros cúbicos y el sistema solar interior (planetas) tiene aproximadamente 0,0015 litros cúbicos. La densidad de estrellas alrededor del sistema solar (incluidas las enanas rojas) es de una por cada 284 litros cúbicos.
@ Jim2B Pensé que habría una aproximación más simple (que he visto hacer muchas veces antes para cúmulos de estrellas, aunque no dos cúmulos en colisión). Creo que estaba equivocado. Al mismo tiempo, debería haber un posible análisis para determinar la probabilidad de una colisión que depende de la densidad. Habría un resultado de algún tipo, sin importar si es exagerado o no.
Luego, usaría el cálculo de la ruta libre media ( en.wikipedia.org/wiki/… ) y luego conectaría el grosor del disco de la galaxia. Pero incluso esto proporciona una respuesta incorrecta porque no tiene en cuenta la atracción que las "partículas" (estrellas) tienen entre sí. Pero como análisis de primer orden, esto podría funcionar.
El cálculo del camino libre medio tampoco puede tener en cuenta los diferentes tamaños y atracciones de las partículas. Esencialmente trata a las estrellas como moléculas de gas y asume que todas tienen el mismo tamaño.
Como solo nos preocupa lo que le sucede al Sol, usamos la fórmula para una partícula que viaja a través de una distribución aleatoria a alta velocidad y no nos preocupamos por el resto de las estrellas de nuestra galaxia.
@ Jim2B Déjame ver si entiendo. yo reorganizaría yo = ( norte σ ) − 1 Llegar norte = ( yo σ ) − 1 , establecer yo al grosor del disco galáctico, y luego usar algo como la sección transversal enfocada gravitacionalmente para σ ?
Sí, pero eso es difícil de entender. La razón es que la cantidad de foco depende tanto del impulso como de la masa de la estrella. Supongo que podríamos usar el impulso esperado en el momento de la colisión entre la Vía Láctea y Andrómeda para el impulso. Por cierto, perdón por todos los comentarios, soy más yo pensando en el problema "en voz alta"
@ Jim2B No hay problema con pensar en voz alta. Para la masa de la estrella, ¿sería inteligente encontrar una masa promedio basada en una función de masa inicial? Creo que eso serviría como una buena aproximación. Las mediciones de la velocidad galáctica de Andrómeda en relación con la Vía Láctea se conocen en un grado decente. Ah, y me acabo de dar cuenta de que el uso de una sección transversal enfocada gravitacionalmente explica la atracción entre las "partículas", lo que hace que la aproximación sea mucho mejor.
@ HDE226868 No estoy seguro de usar un promedio para la masa. Mi experiencia es la dinámica de fluidos gaseosos, no la dinámica de fluidos estelares :) Debido a la frecuencia de ocurrencia de cada tamaño de estrella, simplificará las matemáticas para usar solo una pequeña estrella enana de clase M. El enfoque gravitacional se minimizará, pero la distribución de masa estelar entre estas enanas aumenta las posibilidades de un golpe más que enfocar su masa en muy pocas estrellas masivas. (sus probabilidades de golpear una de las 100 estrellas del tamaño del Sol en una región determinada son mucho mayores que golpear una sola estrella de 100 masas solares en la misma región).
Entonces, creo que ignorar el enfoque gravitatorio es el camino a seguir para su primera iteración. El peligro es un gran número de estrellas pequeñas, que no golpean una estrella masiva con una sección transversal / estrella grande de masa mucho más pequeña.

Respuestas (3)

Bueno, esto se responde fácilmente, pero primero debemos establecer algunas suposiciones. Primero, supongamos que todas las estrellas tienen el mismo tamaño que nuestro sol, aproximadamente 5 segundos luz de ancho (a continuación, usaré ls a menudo, como una contracción de segundos luz). En segundo lugar, supondremos que nuestro sistema pasará a través de Andrómeda prácticamente en un diámetro a través del disco galáctico, con una longitud de trayectoria de 260.000 años luz. En tercer lugar, Andrómeda se modelará con una densidad uniforme de N estrellas/año luz cúbico. Esto claramente no es cierto, pero tenemos que empezar por algún lado. Finalmente, se dirá que dos estrellas chocan si pasan dentro del límite de Roche para el sol, 2,5 veces el radio, o 6,25 ls.

Lo primero que hay que darse cuenta es que, a la velocidad de aproximación actual, 110 kps, llevará mucho tiempo hacer el primer paso, unos 700 millones de años. En segundo lugar, la Vía Láctea y Andrómeda continuarán interactuando después de que se crucen, eventualmente formando la galaxia Milkomeda, por lo que mirar el primer cruce no es casi toda la historia. Finalmente, la densidad de la Vía Láctea es irrelevante, ya que solo estamos tratando con el comportamiento de una sola estrella.

Asi que. Comencemos modelando el camino a través de Andrómeda como una serie de volúmenes de 1 año luz de lado. Serán 260.000 de estos volúmenes. Es sencillo determinar la probabilidad de colisión dentro de cualquier volumen dado. En realidad, comenzamos determinando la probabilidad de fallar; es decir, la probabilidad de que el Sol pase por alto todas las estrellas en un volumen, y elévelo a la potencia 260,000 para obtener la probabilidad de que el Sol pase por alto todas las estrellas en su camino. Como sucede .9999911 260000 = .0988 . Suficientemente cerca. Entonces, la probabilidad de colisión en un solo volumen debe ser 1 − .9999911 , o 8.9 × 10 − 6 .

Ahora pensemos en un volumen objetivo. Su área es 1 año luz por 1 año luz, o (si haces la conversión de segundos a años) 9.94 × 10 14   yo s 2 . El área crítica alrededor de cada estrella es 30.7   yo s 2 . La probabilidad de fallar es lo suficientemente alta como para que simplemente podamos ignorar la posibilidad de que una estrella se "esconda detrás" de otra.

Entonces el número de estrellas requeridas para bloquear 8.9 × 10 − 6 del área del volumen está dada por

8.9 × 10 − 6 = norte × 30.7 yo s 2 / 9.94 × 10 14 yo s 2

y

norte = 8.9 × 10 − 6 × 9.94 × 10 14 / 30.7

asi que norte = 2.9 × 10 8 , o en números aproximados 300 millones de estrellas/año luz cúbico.

En otras palabras, suponiendo un espaciado uniforme, las estrellas de la galaxia de Andrómeda tendrían que estar espaciadas a intervalos de 800 minutos luz, suponiendo un empaquetamiento cúbico. Otra forma de verlo es que un espacio equivalente más cerca de casa daría como resultado 2900 estrellas entre nosotros y Alpha Centauri. O, mejor aún, esta densidad corresponde a empaquetar toda la Vía Láctea en un volumen de 10 años luz de lado.

¿Puedes decir "agujero negro supermasivo"? Sabía que podías.

Eso no quiere decir que tal conjunto de estrellas constituya un agujero negro, solo que es solo cuestión de tiempo.

Agradable. Creo que esto parece ser bastante preciso. Asume que las galaxias chocan entre sí de manera completamente perpendicular, pero esa no es una suposición horrible.
No, simplemente asume que el camino del Sol (o cualquiera que sea la estrella en cuestión) lo hace. Y, por supuesto, cualquier otra suposición reduce la longitud de la trayectoria de la estrella en cuestión dentro de Andrómeda y requiere una mayor densidad para compensar.
Ah, cierto, lo visualicé incorrectamente.
Yo pensaría que la gravedad aumentaría las probabilidades de una colisión, aunque es un poco difícil cuantificar ese efecto, particularmente si la interacción es lenta.

No se trata tanto de la densidad.

No soy astrofísico, me encanta leer sobre el espacio y también me encantaría tener una respuesta realmente asombrosa de la ciencia dura a esta pregunta, pero mientras leía esto es lo que llegué a la conclusión.

Para responder a esta pregunta correctamente (que dudo que lo haga por completo), primero debe determinar dos cosas. 1 - cómo ocurren las colisiones de estrellas, y 2 - qué tan densa es tu galaxia promedio.

1 - Me baso en esta página (que creo que es plausible pero no lo convierte en una prueba sólida) ¿Pueden las estrellas colisionar? . La probabilidad, sin importar cuál sea el evento, de que 2 estrellas choquen directamente entre sí es ridículamente baja. Si considera las velocidades a las que las estrellas viajan a través del espacio, la inmensidad del espacio, etc. Incluso si 10 estrellas pasaran por nuestro sistema solar en este momento, las posibilidades de que cualquiera de ellas golpee directamente al sol serían muy escasas. (Dicho esto, todavía estropearían todo por completo ). Lo que es mucho más probable que suceda depende de la velocidad a la que se encuentren .las estrellas comenzarían a orbitar y finalmente se fusionarían, o si se encontraran a velocidades ridículamente altas y pasaran lo suficientemente cerca como una honda entre sí y explotaran todo. Esto último, sin embargo, es poco probable que suceda. La estrella de Scholz pasó por nuestro sistema solar exterior hace un par de miles de años y su trayectoria solo se vio ligeramente perturbada (y es mucho más pequeña que el sol).

2 - Las galaxias son elegantes para mirar desde lejos y parecen albergar cantidades ridículamente grandes de estrellas (y se ven bastante densas). Una vez más, eso es solo porque el ojo humano ni siquiera puede comenzar a representar la inmensidad del espacio. De Wikipedia encontré que la densidad de estrellas en el espacio que rodea al Sol (que está lejos del centro de nuestra Galaxia que es más denso) es de una estrella por 284 años luz cúbicos. (Eso no es mucho: la estrella de Scholz pasó a 0,8 ly del Sol). Se cree que el núcleo tiene unas 500 veces esa densidad (o 1 estrella por 1,75 ly cúbico) y eso ignora el hecho de que el polvo, los gases y el gigantesco el agujero negro en el centro representa la mayor parte de esa masa. Aun así, incluso si fuera 1/1,75, de nuevo las probabilidades siguen siendo ridículamente bajas, aunque es mucho más probable que haya una gran cantidad de fusiones y estrellas en órbita.

Todo eso dicho. Cuando Andrómeda se fusione con la Vía Láctea (porque si ha leído todo lo anterior, confío en que todos entiendan que no habrá explosiones a nivel galáctico), lo más probable es que unas pocas docenas de estrellas se fusionen o choquen entre sí más cerca de los núcleos La galaxia cambiará, las fuerzas de las mareas la remodelarán, pero con la densidad relativamente baja de estrellas a su alrededor, la mayor parte de eso ocurrirá con muy poco efecto en las estrellas de las partes exteriores mismas. Es probable que muchas más estrellas colisionen y se fusionen cerca del núcleo después, pero no mucho más de lo que ya está ocurriendo de todos modos.

Lo que se necesitaría para que el Sol sea golpeado.

  • En primer lugar, si nos fusionamos con Andrómeda cerca de su núcleo, eso obviamente aumentaría mucho las posibilidades de que el Sol se fusione/colisione con otra estrella, pero todavía estamos hablando de bajas probabilidades y eso probablemente no sucederá porque asumo que los núcleos sí lo harán. atraerse unos a otros. Viendo que estamos lejos del centro, eso nos deja relativamente intactos, pero quién sabe cómo se fusionarán las dos galaxias. Quizás Andrómeda vendrá en ángulo y su núcleo pasará por los brazos de la Vía Láctea antes de llegar a nuestro núcleo.

  • En segundo lugar, si eso sucediera, terminaríamos absorbidos por el núcleo de Andrómeda (que no considero una colisión, aunque es como el fin del mundo) o quedaríamos atrapados en él, lo que significa que tarde o temprano el el sol SE fusionaría o colisionaría con otra estrella, pero solo como resultado de estar cerca del núcleo de la galaxia recién formada. Entonces, la única forma en que parece (para mí) tener una alta probabilidad de golpear una de las estrellas de Andrómeda es pasar muy cerca de su núcleo.

La mayor parte de todo lo que he escrito proviene de búsquedas en Wikipedia (que no es una verdad absoluta ni está libre de errores) y los enlaces que publiqué. Espero eso ayude.

https://en.wikipedia.org/wiki/Milky_Way
https://en.wikipedia.org/wiki/Stellar_density
https://en.wikipedia.org/wiki/Stellar_collision
http://www.universetoday.com/119038 /una-estrella-pasó-a-traves-del-sistema-solar-hace-solo-70000-años/#at_pco=smlwn-1.0&at_si=557affd274f2c9d6&at_ab=-&at_pos=0&at_tot=1
http://www.universetoday.com/117778 /rogue-star-hip-85605-en-curso-de-colisión-con-nuestro-sistema-solar-pero-los-terrícolas-no-necesitan-preocuparse/#at_pco=jrcf-1.0&at_si=557b0d5aa2f0b54c&at_ab=per-2&at_pos=0&at_tot=1

. . . Pero las tasas de colisión, por bajas que sean, están relacionadas con la densidad, ¿verdad? Recientemente hice un proyecto sobre colisiones estelares en cúmulos globulares, y la fórmula para la tasa de colisión por unidad de volumen fue dada por γ = 1 2 norte 2 ⟨ σ V ⟩ , dónde norte es la densidad numérica. Tendrías que tener densidades ridículamente altas para que suceda algo como lo que estoy hablando, pero aún habría una densidad finita, ¿verdad?
Sí, pero no creo que exista una galaxia que tenga una densidad de estrellas distinta a la de su núcleo que se acerque siquiera a asegurar una colisión.
Entiendo eso, pero la densidad aún podría determinarse.
De la forma en que lo veo y lo entiendo, debido a la forma en que son las galaxias, una galaxia con esa densidad de estrellas posiblemente no existiría, siempre habría un núcleo absorbiendo estrellas de sus alcances exteriores o subnúcleos formándose en sus alcances exteriores y luego mutuamente atrayéndonos unos a otros y terminamos con un núcleo nuevamente. Haciendo que los alcances exteriores sean siempre bajos en densidad de estrellas. De lo que parece estar hablando es más como pasar a través de una densa nube hipotética de estrellas. En cuyo caso, sí, eso podría tener una densidad finita para garantizar una tasa de colisión superior al 90%.
Lo que significa que tenemos que averiguar qué tan cerca tiene que pasar una estrella del sol para que haya un 90% o más de posibilidades de que colisione o se fusione con ella.
Así no es como funciona el núcleo de una galaxia. Las estrellas pueden orbitar fácilmente el centro. Creo que hay una pregunta que discute eso en Física o Astronomía, pero así como los agujeros negros no absorben objetos en órbita, los núcleos de las galaxias tampoco absorben nada.
Lo que quise decir con "succión" fue que cualquier gran cúmulo de estrellas terminará orbitando cerca del núcleo a alta velocidad o no será lo suficientemente estable para permanecer intacto más lejos del núcleo, disociándose, O atraerá más se convierte en estrellas y crece hasta que se convierte en su propio "núcleo" y termina yendo hacia el núcleo o alejándose de él. Todo eso simplemente afirmando que no veo cómo es posible que exista una galaxia de súper alta densidad (alrededor). Por supuesto, como dije originalmente, es muy posible que esté equivocado. Solo explicando lo que estaba diciendo. :)

No se pueden cumplir los criterios.

Veamos el problema de manera un poco diferente: lancemos un rayo al azar (pero en el ángulo de enfoque correcto) a través de Andrómeda y veamos si golpea algo. El rayo debe ser un poco más grueso que el sol porque la gravedad se hará cargo y convertirá un casi accidente en un golpe. Para obtener el 90 % de posibilidades de acertar, el 90 % de esos rayos deben cruzarse con al menos una estrella.

Ahora, tomemos uno de esos rayos aleatorios y coloquemos un observador en su punto medio (en relación con su paso por Andrómeda). Él mira a lo largo del rayo: hay un 69% de posibilidades de que vea una estrella mirando hacia cualquier lado. No puedo pensar en ningún camino para el rayo que no produzca el mismo efecto en cualquier lugar en un plano que contiene el rayo; por lo tanto, en cualquier lugar que mire a lo largo de ese plano, tengo al menos un 69% de posibilidades de encontrar una estrella. Si este es el plano de máxima densidad, encontraríamos menos estrellas si miramos por encima o por debajo, pero las galaxias no son tan finas como el papel, todavía habrá bastantes estrellas si miramos a algunos grados de distancia de este óptimo.

Ahora, el sol ocupa unas 5 millonésimas del cielo y, sin embargo, nos mantiene calientes. ¿Qué va a pasar cuando tienes una banda de varios grados de ancho que es 2/3 de la superficie estelar (y se estrecha más allá de eso, no un final abrupto)? Tendrás una increíble cantidad de calor absorbido. Nuestro observador es hipotético y no importa, pero las estrellas que nos rodean ciertamente lo hacen: van a ser calentadas sustancialmente por el brillo de otras estrellas. Eso no va a ser ni un poco bueno para su vida útil. No creo que quede una galaxia para cuando llegue aquí si es tan densa.

Tenga en cuenta, también, que esta matemática asume que el rayo está en el camino de máxima densidad. Dado que vemos una espiral gloriosa en el cielo, el camino real es mucho más cercano al de densidad mínima, por lo que la mayoría de los puntos en el cielo serán estrellas para nuestro observador. Sin la habilidad de arrojar calor, las estrellas pronto serían destruidas. Incluso sin ninguna aceleración de su vida, considere el sol: Salida de energía: 1.2E34 J/año. Energía de enlace: 6.9E41 J. Va a producir suficiente energía para desarmarse en 57 millones de años.

Interesante. ¿De dónde sacaste los números?
Sí, y los cúmulos de estrellas más densos solo alcanzan 1.5-2 / cubic ly, lo que aún no es suficiente porque la dinámica estelar se asegurará de que mantengan su trayectoria inicial en su mayoría cuando pasen por el vecindario del Sol, que tiene como 0.003 / cubic ly. y la 'historia' ya ha demostrado que una estrella que pasa a menos de 0,5 ly del sol no la afectará mucho.
@ HDE226868 el 69% es matemática básica al igual que los 57 millones de años. Los números de energía son de Wikipedia (ambos están en una tabla de energía, el cielo es del sol que encontré en varios lugares, siempre como estereorradianes, terminé rastreando el factor de conversión.
@LorenPechtel No puedo seguir la derivación del 90% al 69%, ni en qué parte del mundo obtienes 57 millones de años. Tampoco sé de qué artículo de Wikipedia estás hablando. :-)
@ HDE226868 Dos eventos con una probabilidad del 69 % cada uno tiene una probabilidad combinada de que ocurra al menos uno del 90 %. Los 57 millones es una división simple de los dos números que di.
@LorenPechtel Gracias por aclarar.
@Spacemonkey Eso es solo si excluye los cúmulos globulares .
¿Qué densidad numérica estelar tendrían que tener dos galaxias para que otra estrella colisione con el Sol durante una fusión galáctica?
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