¿Qué fue primero: Galaxias <=> Estrellas <=> Planetas?

La estructura que vemos en el Universo se ha formado a partir del colapso gravitatorio de la materia que alguna vez fue un campo de densidad casi uniforme de gas ("bariones") y materia oscura.$^1$. La palabra "casi" es importante aquí, porque si hubiera sido completamente suave, o incluso no completamente, pero mucho más suave, entonces el colapso no habría tenido tiempo de ocurrir antes de que la expansión del espacio haya diluido el asunto lo suficiente como para evitarlo. cualquier colapso, y nunca habríamos llegado a existir.

Es decir, el campo de densidad estaba ligeramente grumoso, y estos grumos, o sobredensidades , existían en todas las escalas. Pero calcular qué tamaños de grupos colapsan primero (tamaño estelar, tamaño de galaxia, tamaño de cúmulo, etc.) está lejos de ser trivial. Los intentos analíticos tienen que hacer varias aproximaciones, pero aún pueden hacer predicciones bastante significativas que posteriormente han sido respaldadas y refinadas por simulaciones numéricas, y ahora, aunque todavía quedan muchos cabos sueltos, tenemos una imagen bastante buena de la formación de estructuras:

Colapso gravitacional

Una sobredensidad se denota por$\delta\equiv\rho/\langle\rho\rangle - 1$, donde$\rho$es la densidad de la sobredensidad y$\langle\rho\rangle$es la densidad media. La evolución de las sobredensidades bajo la fuerza de la gravedad se puede calcular exactamente para$\delta \ll 1$utilizando la teoría de la perturbación lineal, pero cuando$\delta$pasa a ser de orden unidad, se entra en el régimen no lineal y se deben hacer aproximaciones severas, por lo que se recurre en cambio a simulaciones numéricas. resulta que si$\delta\gtrsim1.68$(es decir, si una región en el espacio tiene una densidad que es 2,68 veces la densidad ambiental), colapsará. La respuesta a su pregunta está dada por el tamaño de los grupos que alcanzan primero$\delta\gtrsim1.68$.

Primeros grupos

Fluctuaciones cuánticas primordiales$^2$creció en tamaño durante la inflación (ciertamente todavía bastante borrosa), una fracción de segundo después del Big Bang. En el Universo joven, la energía oscura era insignificante y la dinámica del Universo estaba dominada por la materia. Porque la materia oscura comprende$\sim5/6$de la cantidad total, inicialmente podemos despreciar la presencia de gas, pero cuando la densidad se vuelve muy alta, la presión del gas se acumula y contrarresta el colapso.

Las sobredensidades se amplificaron cuando la materia comenzó a colapsar. Resulta que las fluctuaciones de densidad son mayores para escalas más pequeñas, por lo que cuanto más pequeño sea el grupo, antes colapsará. Esto da como resultado la llamada formación de estructura "de abajo hacia arriba", que contrasta con lo que se pensaba originalmente; a saber, que las galaxias se formaron "de arriba hacia abajo" en un colapso monolítico ( Eggen, Lynden-Bell y Sandage 1962 ).

Sin embargo, este enfoque ignora tanto el gas como el movimiento de las partículas de materia oscura (tratándolo como la llamada materia oscura fría ). Teniendo en cuenta los efectos de esto pone un umbral más bajo para las masas de las estructuras de$\sim10^5$-$10^6M_\odot$(por ejemplo , Naoz et al. 2006 ; Yoshida 2009 ). Por lo tanto, se cree que las primeras estructuras que se formaron fueron minihalos aproximadamente de la masa de los cúmulos globulares.

Estrellas, galaxias y cúmulos

Las estrellas consisten en gas colapsado y casi nada de materia oscura, por lo que la formación de una estrella necesita la teoría de la hidrodinámica en lugar de solo la gravedad. Para que la materia colapse en estructuras tan densas como las estrellas, debe deshacerse de gran parte de su energía. Esto no es posible para la materia oscura sin colisiones (al menos en el sentido normal, pero esta publicación ), pero el gas, que puede colisionar y enfriarse al irradiar, puede hacerlo.$^3$.

A través del enfriamiento radiativo, los minihalos se fragmentaron aún más en las primeras nubes de gas y luego en las primeras estrellas cuando el Universo tenía unos 100 millones de años. Posteriormente, conglomerados de estrellas se fusionaron en galaxias, que eventualmente formaron láminas, filamentos y cúmulos de galaxias.

Polvo

Las primeras estrellas se formaron a partir de hidrógeno puro y helio (y pequeñas cantidades de litio), y el material para hacer planetas no existía. Pero cuando estas estrellas, que eran muy masivas, explotaron como supernovas y contaminaron el medio interestelar con metales.$^4$y polvo de estrellas$^5$, se hizo posible la formación de estrellas menos masivas$^6$.

planetas

Las partículas de polvo se pegan para formar guijarros, rocas y planetas. La formación de planetas probablemente no sea posible para estrellas demasiado masivas$^7$, pero con la formación de pequeñas estrellas esto se hizo posible.

Cronología

Podemos hacer la siguiente línea de tiempo:

1. minihalos
2. nubes de gas
3. Estrellas
4. galaxias
5. polvo de estrellas
6. planetas

Sin embargo, tenga en cuenta que la fusión de minihalos en "galaxias" más grandes (sin una cantidad significativa de estrellas) también puede ocurrir en épocas anteriores y, en particular, que la formación de estrellas (y polvo y planetas) es un proceso continuo que todavía tiene lugar hoy ( aunque la mayor parte de la formación estelar tuvo lugar cuando el Universo tenía aproximadamente entre 3 y 6 mil millones de años ( Madau et al. 1998 )).

$^1$_{Y la radiación, que en realidad dominó la densidad de energía hasta que el Universo fue$\sim50\,000$años.}

$^2$_{El término fluctuaciones cuánticas primordiales podría ser el término más genial de la física.}

$^3$_{Hay hipótesis de las llamadas estrellas oscuras , pero eso está más allá del alcance de este texto (principalmente porque no las entiendo).}

$^4$_{Para un astrónomo, el término metal significa cualquier elemento más pesado que el helio. Es más fácil de esta manera.}

$^5$_{Los astrónomos simplemente lo llaman "polvo", y usan solo el término polvo de estrellas cuando hablan con personas que no son astrónomos, para que no se duerman.}

$^6$_{La razón es que con las muchas transiciones electrónicas posibles de los metales, el gas tiene más formas de enfriarse y, por lo tanto, puede colapsar antes, antes de que el grupo de protoestrellas alcance grandes masas.}

$^7$_{Porque la alta presión de radiación de estrellas muy masivas sopla y/o destruye el polvo (creo, pero esto no es mi experiencia).}

La respuesta corta es que no lo sabemos.

Una respuesta pedante más larga señalaría que el uso de un término sin comprender lo que quiere decir con ese término nunca es apropiado.

El término que siento que es problemático es "polvo de estrellas". En nuestra imagen estándar de la nucleosíntesis del big bang, somos optimistas (debido a la buena concordancia entre los cálculos y las observaciones de las abundancias cosmológicas) de que entendemos que a medida que el Universo se enfrió se formaron hidrógeno, helio y trazas de otros elementos (el litio es el más importante). mencionado a menudo). Casi NUNCA se señala que si el Universo está compuesto por un 27% de materia oscura y solo un 5% de materia regular (principalmente hidrógeno), entonces estos cálculos son un fracaso abismal: ¡no predicen la existencia de materia oscura! Todo esto es ignorado y nos felicitamos a nosotros mismos (o más bien los medios populares exaltan los "logros" de la ciencia). No puedes ignorar la mayor parte de la materia del Universo y esperar que tus modelos sean exactos.

Si la primera estrella precedió o siguió a la primera galaxia es, hasta cierto punto, una cuestión de definición. Hasta cierto punto. No está del todo claro si existían o no agujeros negros antes de la formación de galaxias/estrellas.

Si existieran los superagujeros negros, entonces cualquier cosa dentro de su rango gravitacional comprendería una galaxia (si elige usar una definición razonable de galaxia). Lo que existiría entonces sería gas (y plasma), materia oscura y los primeros rastros de lo que probablemente dirías que es polvo de estrellas: el litio, el boro, etc., que se aglomerarían al chocar con átomos similares. Creo que la densidad de este polvo sería demasiado baja para formar planetas sin la intervención de la gravedad de otros objetos. (Aunque probablemente nunca debería decir nunca). OTOH, si los únicos agujeros negros existentes fueran lo suficientemente pequeños, probablemente se evaporarían con solo efectos transitorios en la dinámica de las partículas. Entonces, podemos ignorar el polvo de estrellas, la mayor parte se formó EN las primeras estrellas (Generación III).

La pregunta es: ¿qué fue primero? ¿galaxias o estrellas? Y la respuesta es: ¿qué define exactamente a una galaxia? Creemos que hubo fluctuaciones de densidad que conducirían al colapso gravitatorio del gas que los rodea (y que los compone). ¿En qué punto califica este movimiento como distinguible de otros movimientos (otros volúmenes de colapso)? Tal vez pueda adivinar que dependerá tanto de la materia oscura presente como de la velocidad (temperatura) del gas. Un análisis cuidadoso probablemente implicaría velocidades de escape (y como probablemente sepa, eso depende de la distribución de la materia oscura) y el punto en el que "la mayoría" del gas estaba en órbita en lugar de colisionar aleatoriamente, lo que a su vez dependería de lo que significa "la mayoría". (51%, 90%, 99%,...).

Así que define el término galaxia. Si lo define en términos de estrellas, entonces la respuesta es fácil: (algunas) estrellas llegaron primero. Si lo define en términos de zonas de gravitación, entonces es posible que la respuesta sea ambas. Es decir, en algunos casos, el hidrógeno tuvo tiempo suficiente para colapsar en una estrella antes de que "la mayor parte" del gas se uniera a una "galaxia" cercana (probablemente, protogalaxia sería un mejor término aquí) y en otros lugares, la protogalaxia se había definido a sí misma. antes de que se encendiera la primera estrella. no lo sabemos

Es un error suponer que el Universo tal como lo vemos hoy es una aproximación razonable del Universo tal como aparecería solo 10 o 100 millones de años después del Big Bang.

Nuestros modelos aún no son lo suficientemente buenos (y probablemente no lo serán hasta que entendamos mucho más sobre qué es la materia oscura y cómo se comporta) para estar seguros de que las protogalaxias existieron antes que las primeras estrellas o que las primeras estrellas se iluminaron antes que la las zonas que llamo protogalaxias eran sistemas separados.