¿Cuándo será máximo el número de estrellas?

TL; DR En algún lugar entre ahora y unos cientos de miles de millones de años. (Para un volumen de co-movimiento) Ahora sigue leyendo.

Si se incluyen los remanentes estelares, entonces la respuesta está muy lejos en el futuro, siempre y cuando los constituyentes de los bariones comiencen a decaer. Así que supongamos que "estrellas" se refiere a aquellas cosas que experimentan reacciones de fusión nuclear para potenciar su luminosidad. Supongamos además que la función de masa estelar, ($N(m)$es el número de estrellas por unidad de masa) que vemos en la vecindad del Sol es representativa de las poblaciones en todas las galaxias en todo momento (difícil empezar, sin asumir esto).

El número de estrellas que han nacido es igual a la suma sobre el tiempo (la integral) y sobre la masa de$N(m)$multiplicado por la velocidad a la que la masa se convierte en estrellas en un volumen comóvil del universo$\Phi(t)$.

Luego necesitamos restar una suma a lo largo del tiempo y la masa de la tasa de muerte estelar en el mismo volumen comóvil. La tasa de muerte estelar es la tasa de nacimiento estelar a la vez$t-\tau(m)$, dónde$\tau(m)$es el tiempo de vida estelar dependiente de la masa. Ignoramos la transferencia de masa en los sistemas binarios y asumimos que los múltiplos pueden tratarse como componentes estelares independientes.

Así, el número de estrellas a la vez$t$es aproximadamente

Iba a intentar (y posiblemente aún lo haré) algún tipo de aproximación analítica, pero Madau y Dickinson (2014) lo han hecho mejor y han tenido en cuenta la dependencia de la metalicidad de la vida estelar y la evolución química de las galaxias. La tasa de formación de estrellas alcanzó su punto máximo hace unos 10 mil millones de años, es más de un orden de magnitud menor ahora y está disminuyendo exponencialmente con una constante de tiempo de 3,9 mil millones de años.

La masa estelar integrada se muestra en su Fig. 11 (que se muestra a continuación). Sigue aumentando hoy en día, pero a un ritmo muy bajo y no ha pasado por un máximo. La razón de esto es que la mayoría de las estrellas tienen masas de 0,2-0,3 masas solares y vidas mucho más largas que la edad del universo. Incluso si estas estrellas se agregan a un ritmo muy lento, su tasa de mortalidad es cero en la actualidad.

Si la formación estelar continuara en un nivel bajo, entonces la cantidad de estrellas solo comenzaría a disminuir significativamente una vez que las estrellas cercanas al pico de la función de masa estelar, que nacieron en los primeros tiempos, comiencen a morir. El tiempo de vida de una estrella de 0,25 de masa solar es de alrededor de un billón de años ( Laughlin et al. 1997 ).

Por otro lado, si la formación estelar cesara ahora , el número de estrellas comenzaría a disminuir inmediatamente.

Tal vez podríamos argumentar que el declive exponencial actual continuará y el pico llegará en unos pocos miles de millones de años, cuando las estrellas de 0,8-0,9 masas solares comiencen a morir. Sin embargo, eso es futurología dado que no tenemos una teoría de primeros principios que explique la dependencia del tiempo de la formación estelar, por lo que creo que la mejor respuesta que se puede dar es entre ahora y unos cientos de miles de millones de años.

Tenga en cuenta que esta respuesta asume un volumen co-móvil. Si la pregunta formulada se formula en términos del universo observable, dado que el número de estrellas casi se ha estancado, la respuesta se aproxima a la edad en que se maximiza el volumen del universo observable. Digo "cerca de" porque hay que tener en cuenta que el universo observable incluye estrellas en segmentos de distancia en todas las épocas cósmicas. No estoy dispuesto a emprender este horrendo cálculo, pero tenga en cuenta que el modelo cosmológico de concordancia actual tiene nuestro universo observable aumentando lentamente desde un radio de alrededor de 45 mil millones de años luz ahora, a aproximadamente 60 mil millones de años luz en el futuro lejano Davis & Lineweaver 2005 , y esto puede compensar una disminución lenta en el número de estrellas en un volumen en movimiento conjunto.