Ketika penggabungan besar galaksi berukuran serupa terjadi di Semesta, mereka membentuk bintang baru dari hidrogen dan gas helium yang ada di dalamnya. Hal ini dapat menghasilkan tingkat pembentukan bintang yang sangat meningkat, mirip dengan apa yang kita amati di dalam galaksi Henize 2-10 di dekatnya, yang berjarak 30 juta tahun cahaya. (Sinar-X (NASA / CXC / VIRGINIA / A.REINES ET AL); RADIO (NRAO / AUI / NSF); OPTIK (NASA / STSCI))

Bagaimana Rasanya Saat Galaksi Membentuk Jumlah Bintang Terbesar?

Selama lebih dari 10 miliar tahun, laju pembentukan bintang di seluruh Semesta telah menurun drastis. Inilah ceritanya.

Lihatlah beragam galaksi di Semesta, dan Anda akan menemukan kumpulan cerita yang sangat berbeda. Yang terbesar adalah elips raksasa, yang banyak di antaranya belum membentuk bintang baru selama paruh terakhir seluruh sejarah kosmik kita. Banyak galaksi spiral seperti Bima Sakti kita sendiri, dengan sejumlah kecil daerah membentuk bintang-bintang baru, tetapi di mana galaksi keseluruhan sebagian besar sepi. Dan beberapa galaksi sedang mengalami periode pembentukan bintang yang cepat dan intens, mulai dari interaksi spiral yang dipenuhi dengan jutaan bintang baru hingga galaksi starburst yang tidak beraturan, di mana seluruh galaksi berubah menjadi daerah pembentuk bintang.

Tetapi rata-rata, tingkat pembentukan bintang baru saat ini adalah yang terendah sejak tingkat awal ekstrim Semesta. Mayoritas bintang di Semesta terbentuk hanya dalam 1 hingga 3 miliar tahun pertama, dan laju pembentukan bintang telah anjlok sejak saat itu. Inilah kisah kosmik di baliknya.

Gambar komposit Hubble / Spitzer dari kluster galaksi SpARCS1049 + 56 menunjukkan bagaimana merger (pusat) yang kaya gas dapat memicu pembentukan bintang baru. (NASA / STSCI / ESA / JPL-CALTECH / MCGILL)

Pada masa-masa awal Semesta, materi jauh lebih padat daripada sekarang. Ada alasan yang sangat sederhana untuk ini: ada jumlah materi yang tetap di Alam Semesta yang dapat diamati, tetapi jalinan ruang itu sendiri berkembang. Jadi Anda harapkan, ketika Semesta masih muda, bahwa akan ada lebih banyak pembentukan bintang, karena lebih banyak materi akan lebih dekat bersama untuk menggumpal dan membentuk bintang.

Tetapi juga di masa-masa awal, Semesta lebih seragam. Pada saat Ledakan Dahsyat, daerah terpadat dari semuanya hanya sekitar 0,01% lebih padat daripada daerah rata-rata, dan karenanya dibutuhkan waktu yang lama bagi daerah-daerah yang padat untuk tumbuh dan mengumpulkan cukup materi untuk membentuk bintang, galaksi, dan bahkan struktur yang lebih besar. Sejak awal, Anda memiliki faktor-faktor yang berfungsi baik untuk Anda maupun melawan Anda.

Galaksi yang saat ini mengalami interaksi gravitasi atau merger hampir selalu juga membentuk bintang-bintang biru yang baru dan cerah. Runtuhnya sederhana adalah cara untuk membentuk bintang pada awalnya, tetapi sebagian besar pembentukan bintang yang kita lihat hari ini merupakan hasil dari proses yang lebih keras. Bentuk galaksi yang tidak teratur atau terganggu merupakan tanda kunci bahwa inilah yang terjadi. (NASA, ESA, P. OESCH (UNIVERSITAS GENEVA), DAN M. MONTES (UNIVERSITAS DOMPET SELATAN BARU))

Cara Anda membentuk bintang cukup mudah: dapatkan massa dalam jumlah besar di tempat yang sama, biarkan dingin dan runtuh, dan Anda mendapatkan daerah pembentuk bintang baru. Seringkali, pemicu eksternal yang besar, seperti gaya pasang surut dari massa besar yang berdekatan atau material yang terlontar dengan cepat dari ledakan supernova atau sinar gamma, dapat menyebabkan keruntuhan dan formasi bintang baru ini juga.

Kita melihat ini di Alam Semesta terdekat, baik di wilayah dalam galaksi, seperti Nebula Tarantula di Awan Magellan Besar, maupun pada skala seluruh galaksi itu sendiri, seperti di Messier 82 (galaksi Cerutu), yang secara gravitasi dipengaruhi oleh tetangganya, Messier 81.

Galaksi starburst Messier 82, dengan materi yang dikeluarkan seperti ditunjukkan oleh jet merah, telah memiliki gelombang pembentukan bintang saat ini yang dipicu oleh interaksi gravitasi yang dekat dengan tetangganya, galaksi spiral cerah Messier 81. (NASA, ESA, THE HUBBLE TIM WARISAN, (STSCI / AURA); UCAPAN TERIMA KASIH: M. MOUNTAIN (STSCI), P. PUXLEY (NSF), J. GALLAGHER (U. WISCONSIN))

Namun pemicu terbesar pembentukan bintang adalah selama apa yang oleh para astronom disebut sebagai merger besar. Ketika dua galaksi yang sebanding bertabrakan dan bergabung bersama, gelombang besar formasi bintang dapat menyelimuti seluruh galaksi, menyebabkan apa yang kita sebut sebagai starburst. Ini adalah contoh terbesar pembentukan bintang di Semesta, dan beberapa di antaranya bahkan terjadi hingga hari ini.

Apakah itu berarti bahwa pembentukan bintang terus terjadi pada tingkat yang sama, atau di dekat mereka, seperti pada puncaknya? Hampir tidak. Sebagian besar merger besar ini sudah jauh di kaca spion sejarah Semesta. Ekspansi Semesta adalah fenomena tanpa henti, seperti halnya gravitasi. Masalahnya adalah bahwa ada kompetisi yang sedang berlangsung, dan gravitasi hilang sejak lama.

Takdir yang diharapkan dari Semesta (tiga ilustrasi teratas) semuanya sesuai dengan Semesta di mana materi dan energi bertarung melawan laju ekspansi awal. Di alam semesta yang kita amati, percepatan kosmik disebabkan oleh beberapa jenis energi gelap, yang sampai sekarang tidak dapat dijelaskan. Semua Alam Semesta ini diatur oleh persamaan Friedmann, yang menghubungkan perluasan Alam Semesta dengan berbagai jenis materi dan energi yang ada di dalamnya. (E. SIEGEL / DI LUAR GALAXY)

Jika Alam Semesta dibuat 100% materi, dan laju ekspansi awal dan kepadatan materi satu sama lain dengan sempurna, kami akan hidup di Alam Semesta yang akan selalu memiliki merger besar di masa depan. Tidak akan ada batasan untuk ukuran struktur skala besar yang terbentuk:

  • gugusan bintang akan bergabung menjadi proto-galaksi,
  • proto-galaksi akan bergabung menjadi galaksi muda yang kecil,
  • galaksi-galaksi itu akan bergabung ke dalam spiral besar yang kita miliki saat ini,
  • spiral akan bergabung bersama untuk membentuk elips raksasa,
  • spiral dan elips akan jatuh ke dalam kelompok,
  • cluster akan bertabrakan dan membentuk superclusters,
  • dan superclusters sendiri akan terbentuk bersama, mengarah ke megaclusters,

dan seterusnya. Seiring berlalunya waktu, tidak akan ada batasan untuk skala di mana jaring kosmik tumbuh dan tumbuh.

Jaring kosmik materi gelap dan struktur berskala besar terbentuk. Materi normal ada, tetapi hanya 1/6 dari total materi. 5/6 lainnya adalah materi gelap, dan tidak ada jumlah materi normal yang akan menyingkirkan itu. Jika tidak ada energi gelap di Semesta, struktur akan terus tumbuh dan tumbuh pada skala yang semakin besar seiring berjalannya waktu. (SIMULASI MILLENIUM, V. SPRINGEL ET AL.)

Sayangnya, untuk Anda semua penggemar bintang baru, itu bukan Semesta kami. Alam semesta kita memiliki materi yang jauh lebih sedikit daripada itu, dan sebagian besar materi yang kita miliki sama sekali bukan materi pembentuk bintang, melainkan suatu bentuk materi gelap. Selain itu, sebagian besar energi Alam Semesta datang dalam bentuk energi gelap, yang hanya berfungsi untuk memisahkan struktur yang tidak terikat.

Akibatnya, kami tidak mendapatkan struktur skala besar yang terikat di luar ukuran cluster galaksi. Tentu, beberapa gugus galaksi akan bergabung bersama, tetapi tidak ada yang namanya superkluster; struktur-struktur yang tampak itu hanyalah khayalan belaka, yang akan dihancurkan ketika Semesta terus berkembang.

Superkluster Laniakea, berisi Bima Sakti (titik merah), di pinggiran Virgo Cluster (koleksi putih besar di dekat Bima Sakti). Terlepas dari tampilan gambar yang menipu, ini bukan struktur nyata, karena energi gelap akan membuat sebagian besar rumpun ini terpisah, memecahnya seiring berjalannya waktu. (TULLY, R. B., COURTOIS, H., HOFFMAN, Y & POMARÈDE, D. NATURE 513, 71-73 (2014))

Mengingat Semesta yang kita miliki, lalu, seperti apa sejarah pembentukan bintang kita? Bintang-bintang pertama terbentuk setelah sekitar 50-100 juta tahun, ketika awan molekul berskala kecil dapat mengumpulkan cukup banyak materi untuk runtuh. Pada saat Alam Semesta berusia sekitar 200–250 juta tahun, gugus bintang pertama telah bergabung bersama, memicu gelombang baru pembentukan bintang dan membentuk galaksi yang paling awal. Pada saat alam semesta berusia 400-500 juta tahun, galaksi terbesar telah tumbuh hingga beberapa miliar massa matahari: sekitar 1% massa Bima Sakti.

Sedikit lebih lambat dari ini, gugus galaksi pertama mulai terbentuk, merger besar menjadi umum, dan jaring kosmik mulai semakin padat. Selama 2 hingga 3 miliar tahun pertama Semesta, laju pembentukan bintang hanya terus meningkat.

Sebuah pembibitan bintang di Awan Magellan Besar, galaksi satelit Bima Sakti. Tanda formasi bintang yang baru dan berdekatan ini kelihatannya ada di mana-mana, tetapi laju pembentukan bintang-bintang baru saat ini, di seluruh Semesta, hanya beberapa persen dari apa yang ada pada puncak awalnya. (NASA, ESA, DAN THE HUBBLE TIM HERITAGE (STSCI / AURA) -ESA / HUBBLE COLLABORATION)

Namun kenaikan ini, tidak berlanjut melampaui titik ini. Setelah sekitar 3 miliar tahun, laju pembentukan bintang mulai turun, dan turun secara drastis dan terus menerus sesudahnya.

Apa yang menyebabkan itu?

Sejumlah faktor, semuanya bekerja bersama-sama. Bintang-bintang terbentuk dari (sebagian besar) gas hidrogen dan helium, yang runtuh dan memicu fusi nuklir. Fusi ini meningkatkan tekanan internal, bekerja untuk mengeluarkan banyak bahan yang berpotensi membentuk bintang. Ketika galaksi berkumpul bersama untuk membentuk kelompok dan kelompok, potensi gravitasi semakin besar, tetapi media intergalaksi juga mendapat lebih banyak bahan di dalamnya. Ini berarti, ketika galaksi melaju melalui wilayah ruang yang lebih padat, sebagian besar materi pembentuk bintang ini akan dilucuti.

Salah satu galaksi yang paling cepat diketahui di Semesta, melaju kencang melalui klusternya (dan dilucuti gasnya) dengan kecepatan cahaya beberapa persen: ribuan km / dt. Jejak bintang terbentuk setelahnya, sementara materi gelap berlanjut dengan galaksi asli. (NASA, ESA, JEAN-PAUL KNEIB (LABORATOIRE D’ASTROPHYSIQUE DE MARSEILLE) ET AL.)

Selain itu, semakin banyak bahan yang ditemukan di galaksi ini diproses seiring berjalannya waktu: diisi dengan unsur yang lebih berat dan lebih berat. Dalam sebuah studi baru oleh para ilmuwan UC Riverside, mereka menemukan bahwa semakin tua galaksi pembentuk bintang, semakin lambat ia membentuk bintang.

Dengan menggunakan beberapa gugus SpARCS mereka yang baru ditemukan, studi baru yang dipimpin UCR menemukan bahwa dibutuhkan galaksi yang lebih lama untuk berhenti membentuk bintang ketika alam semesta bertambah tua: hanya 1,1 miliar tahun ketika alam semesta masih muda (usia 4 miliar tahun), 1,3 miliar tahun ketika alam semesta berusia setengah baya (6 miliar tahun), dan 5 miliar tahun di alam semesta saat ini.

Dengan kata lain, bintang-bintang baru terbentuk pada tingkat yang lebih cepat pada awal, dan pada tingkat yang lebih lambat hari ini. Tambahkan energi gelap, yang membatasi struktur tambahan dari pembentukan, dan Anda punya resep untuk Alam Semesta yang sangat sunyi.

Pandora Cluster, yang dikenal secara resmi sebagai Abell 2744, adalah penghancuran kosmik dari empat kelompok galaksi independen, yang semuanya disatukan di bawah gaya gravitasi yang tak tertahankan. Ribuan galaksi mungkin terbukti di sini, tetapi Semesta itu sendiri mungkin berisi dua triliun galaksi. (NASA, ESA, dan J. LOTZ, M. MOUNTAIN, A. KOEKEMOER, & THE HFF TEAM)

Mari kita satukan semuanya, sekarang. Sejak awal, ada banyak bahan murni (atau lebih murni), dan banyak lagi penggabungan galaksi berukuran sebanding yang terjadi. Ketika galaksi besar bergabung dalam kelompok, mereka pertama kali membentuk kelompok saat itu, yang berarti ada lebih sedikit pengupasan massa dan lebih banyak starbursting ketika galaksi berinteraksi. Dan meskipun galaksi lebih besar hari ini daripada saat itu, galaksi masih substansial setelah beberapa miliar tahun, dan merger jauh lebih umum.

Semua mengatakan, menurut penelitian paling komprehensif yang pernah dilakukan, tingkat pembentukan bintang telah menurun sebesar 97% sejak maksimum, 11 miliar tahun yang lalu.

Tingkat pembentukan bintang memuncak ketika Semesta berusia sekitar 2,5 miliar tahun, dan telah menurun sejak saat itu. Di masa lalu baru-baru ini, laju pembentukan bintang telah benar-benar jatuh, sesuai dengan timbulnya dominasi energi gelap. (D. SOBRAL ET AL. (2013), MNRAS 428, 2, 1128–1146)

Laju pembentukan bintang menurun perlahan dan stabil selama beberapa miliar tahun, sesuai dengan zaman di mana Alam Semesta masih didominasi materi, hanya terdiri dari bahan yang lebih diproses dan berumur. Jumlah merger lebih sedikit, tetapi ini sebagian dikompensasi oleh fakta bahwa struktur yang lebih besar bergabung, mengarah ke daerah yang lebih besar di mana bintang terbentuk.

Tetapi tepat sekitar usia 6 hingga 8 miliar tahun, efek energi gelap mulai membuat kehadiran mereka diketahui pada tingkat pembentukan bintang, menyebabkannya anjlok dengan cepat. Jika kita ingin melihat semburan formasi bintang terbesar, kita tidak punya pilihan selain melihat jauh. Semesta ultra-jauh adalah tempat pembentukan bintang pada titik maksimum, bukan secara lokal.

Kamera canggih Hubble untuk survei mengidentifikasi sejumlah cluster galaksi ultra-jauh. Jika energi gelap adalah konstanta kosmologis, semua kluster ini akan tetap terikat secara gravitasi, seperti semua kelompok galaksi dan kluster, tetapi akan melaju menjauh dari kita dan satu sama lain seiring berjalannya waktu karena energi gelap terus mendominasi ekspansi Alam Semesta. Cluster ultra-jauh ini menampilkan tingkat pembentukan bintang yang jauh lebih besar daripada cluster yang kita amati saat ini. (NASA, ESA, J. BLAKESLEE, M. POSTMAN DAN G. MILEY / STSCI)

Selama ada gas yang tersisa di alam semesta dan gravitasi masih ada, akan ada peluang untuk membentuk bintang-bintang baru. Ketika Anda mengambil awan gas dan membiarkannya runtuh, hanya sekitar 10% dari bahan itu yang melayang di bintang-bintang; sisanya akan kembali ke media antarbintang di mana ia akan mendapatkan kesempatan lain di masa depan yang jauh. Meskipun tingkat pembentukan bintang telah anjlok sejak hari-hari awal Semesta, itu tidak diharapkan untuk turun ke nol sampai Semesta ribuan kali umurnya saat ini. Kami akan terus membentuk bintang-bintang baru untuk triliunan tahun.

Tetapi bahkan dengan semua yang dikatakan, bintang-bintang baru sekarang jauh lebih langka daripada yang pernah ada di masa lalu kita sejak Semesta masih dalam masa pertumbuhan. Kita harus bisa mengetahui bagaimana pembentukan bintang naik ke puncaknya, dan faktor-faktor apa yang membentuk laju pembentukan bintang di masa-masa awal, dengan munculnya Teleskop Luar Angkasa James Webb. Kita sudah tahu seperti apa bentuk Semesta, dan bagaimana alam semesta saat ini menurun. Langkah besar berikutnya, yang hampir sampai pada kita, adalah belajar bagaimana itu tumbuh menjadi seperti itu pada setiap langkah di masa lalu kita.

Bacaan lebih lanjut tentang seperti apa Semesta saat:

  • Seperti apa saat Semesta menggembung?
  • Bagaimana rasanya ketika Big Bang pertama kali dimulai?
  • Bagaimana rasanya ketika Semesta berada di titik terpanas?
  • Bagaimana rasanya ketika Semesta pertama kali menciptakan lebih banyak materi daripada antimateri?
  • Bagaimana rasanya ketika Higgs memberi massa kepada Semesta?
  • Bagaimana rasanya ketika kita pertama kali membuat proton dan neutron?
  • Bagaimana rasanya ketika kita kehilangan antimateri terakhir kita?
  • Bagaimana rasanya ketika Alam Semesta membuat elemen pertamanya?
  • Bagaimana rasanya ketika Semesta pertama kali membuat atom?
  • Bagaimana rasanya ketika tidak ada bintang di Semesta?
  • Bagaimana rasanya ketika bintang-bintang pertama mulai menerangi Semesta?
  • Bagaimana rasanya ketika bintang-bintang pertama mati?
  • Bagaimana rasanya ketika Semesta membuat bintang-bintang keduanya?
  • Bagaimana rasanya ketika Alam Semesta membuat galaksi pertama?
  • Bagaimana rasanya ketika cahaya bintang pertama kali menembus atom netral Semesta?
  • Bagaimana rasanya ketika lubang hitam supermasif pertama terbentuk?
  • Bagaimana rasanya ketika kehidupan di Semesta pertama kali menjadi mungkin?

Mulai Dengan A Bang sekarang di Forbes, dan diterbitkan ulang di Medium berkat para pendukung Patreon kami. Ethan telah menulis dua buku, Beyond The Galaxy, dan Treknology: The Science of Star Trek dari Tricorders ke Warp Drive.