Quand le nombre d'étoiles sera-t-il maximum?

Il y a très grossièrement une "taupe" d'étoiles dans l'univers. Wikipédia cite une estimation de $3 \times 10^{23}$ bien que le nombre soit associé à un débat et incertain.

Je voudrais savoir s'il existe des estimations de la maximisation du nombre d'étoiles dans l'univers. Est-il censé augmenter asymptotiquement jusqu'à un certain maximum, ou va-t-il culminer puis diminuer?

Je suppose que cela pourrait dépendre de la définition de "l'étoile", si les objets nains bruns ou noirs sont comptés ou non. Je ne veux pas pré-spécifier, il est plus probable qu'une bonne réponse bien informée inclura cette information.

TL; DR Quelque part entre aujourd'hui et quelques centaines de milliards d'années. (Pour un volume co-mobile) Continuez à lire.

Si des restes stellaires sont inclus, alors la réponse est très loin dans le futur, si et quand les constituants des baryons commencent à se décomposer. Supposons donc que «étoiles» signifie les choses qui subissent des réactions de fusion nucléaire pour alimenter leur luminosité. Supposons en outre que la fonction de masse stellaire, ( $N(m)$ est le nombre d'étoiles par unité de masse) que nous voyons dans le voisinage du Soleil est représentative des populations dans toutes les galaxies à tout moment (difficile de commencer, sans supposer cette).

Le nombre d'étoiles qui sont nées est égal à la somme dans le temps (l'intégrale) et sur la masse de $N(m)$ multipliée par la vitesse à laquelle la masse se transforme en étoiles dans un volume en mouvement de l'univers $\Phi(t)$ .

Nous devons ensuite soustraire une somme dans le temps et la masse du taux de mort stellaire dans le même volume comoving. Le taux de mortalité stellaire est le taux de naissance stellaire à un instant $t-\tau(m)$ , où $\tau(m)$ est la durée de vie stellaire dépendante de la masse. Nous ignorons le transfert de masse dans les systèmes binaires et supposons que les multiples peuvent être traités comme des composants stellaires indépendants.

Ainsi, le nombre d'étoiles au temps $t$ est approximativement

J'allais (et je vais peut-être encore) tenter une sorte d'approximation analytique, mais Madau et Dickinson (2014) l' ont fait mieux et ont pris en compte la dépendance de la métallicité des durées de vie stellaires et de l'évolution chimique des galaxies. Le taux de formation d'étoiles a culminé il y a environ 10 milliards d'années, est inférieur de plus d'un ordre de grandeur maintenant et diminue de façon exponentielle avec une constante de temps de 3,9 milliards d'années.

La masse stellaire intégrée est représentée sur leur Fig 11 (ci-dessous). Il est toujours en augmentation aujourd'hui, mais à un rythme très faible et n'a pas dépassé un maximum. La raison en est que la plupart des étoiles ont des masses solaires de 0,2 à 0,3 et des durées de vie beaucoup plus longues que l'âge de l'univers. Même si ces étoiles sont ajoutées à un rythme très lent, leur taux de mortalité est actuellement nul.

Si la formation d'étoiles se poursuivait à un faible niveau, le nombre d'étoiles ne commencerait à diminuer de manière significative que lorsque les étoiles proches du sommet de la fonction de masse stellaire, qui sont nées aux premiers temps, commencent à mourir. La durée de vie d'une étoile de masse solaire de 0,25 est d'environ un billion d'années ( Laughlin et al. 1997 ).

D'un autre côté, si la formation d'étoiles cessait maintenant, le nombre d'étoiles commencerait immédiatement à diminuer.

Nous pourrions peut-être affirmer que la baisse exponentielle actuelle se poursuivra et que le pic arrivera dans quelques milliards d'années supplémentaires lorsque des étoiles de masses solaires de 0,8-0,9 commenceront à disparaître. Cependant, c'est de la futurologie étant donné que nous n'avons pas de théorie des premiers principes qui explique la dépendance temporelle de la formation des étoiles, donc je pense que la meilleure réponse qui peut être donnée se situe entre aujourd'hui et quelques centaines de milliards d'années.

Notez que cette réponse suppose un volume co-mobile. Si la question posée est formulée en termes d'univers observable, parce que le nombre d'étoiles a presque atteint un plateau, alors la réponse devient proche de l'âge, le volume de l'univers observable est maximisé. Je dis "proche de" parce que vous devez tenir compte du fait que l'univers observable comprend des étoiles dans des tranches de distance à toutes les époques cosmiques. Je ne suis pas disposé à entreprendre ce calcul horrible, mais notez que le modèle cosmologique de concordance actuel a notre univers observable augmentant lentement d'un rayon d'environ 45 milliards d'années-lumière maintenant, à environ 60 milliards d'années-lumière dans le futur lointain Davis & Lineweaver 2005 , et cela peut compenser une lente diminution du nombre d'étoiles dans un volume co-mobile.