Nếu một thiên hà được định nghĩa là một tập hợp các hệ hành tinh (và tất cả vật chất ở giữa) và một hệ hành tinh được định nghĩa là một tập hợp các hành tinh bao quanh một ngôi sao (và tất cả vật chất ở giữa) và một hành tinh (và các vật thể nhỏ khác, như các tiểu hành tinh, mặt trăng, mặt trăng, v.v.) về cơ bản chỉ là một tập hợp rất, rất lớn các khoáng chất, sao và khí (tạo nên toàn bộ vũ trụ), xuất hiện đầu tiên: Các hành tinh, hệ hành tinh hay các thiên hà? Tôi đã được ban cho hiểu vũ trụ đến trước ... nhưng sau đó thì sao?

Tôi nghĩ rằng tôi đã hiểu, ít nhất là những điều cơ bản của giáo dân, về sự hình thành vũ trụ. Tuy nhiên, ngày nay, tôi gặp khó khăn trong việc khái niệm thứ tự mà chúng sẽ được hình thành, NẾU chúng được xác định bởi đơn vị nhỏ hơn.

Đây có phải chỉ là tôi nhận được ngữ nghĩa của phân loại và niên đại thực tế của từng tính năng hình thành, trộn lẫn?

RẤT cơ bản,

• Vũ trụ được tạo thành từ một hỗn hợp phức tạp của tất cả mọi thứ (vật chất, phản vật chất, vật tối tăm, chỉ gọi tên một số) và mở rộng 'không gian'.
• Một khu vực rất, rất, rất lớn của 'không gian' được bao phủ trong các hạt rất, rất, rất nhỏ: được tạo thành từ các khí đầu tiên và sau đó là 'stardust'.
• Một thiên hà được hình thành từ các khí hấp dẫn, và sau khi các ngôi sao đầu tiên đi siêu tân tinh và phát nổ, cũng có 'sao', kết hợp để tạo ra các 'đám mây' của các đám mây liên sao (tinh vân đám mây).
• Tinh vân đám mây là khu vực 'vườn ươm' để hình thành sao (cả sao ban đầu và sao thế hệ sau).
• Ngôi sao mới được tạo ra sử dụng tàn dư 'stardust' trong tinh vân đám mây để hình thành các hệ hành tinh và sau đó, một thời gian ngắn sau đó là các hành tinh quay quanh (và các vật thể có kích thước khác).

Vì vậy, thứ tự thời gian sẽ là:

Vũ trụ (Quy mô lớn nhất) => khí (quy mô rất nhỏ) => thiên hà => các đám mây liên sao => sao => các hành tinh (kết hợp để tạo thành các hệ hành tinh) . Và các hạt khí nhỏ và 'stardust', có liên quan đến gần như tất cả các quy mô.

Hình ảnh được chụp từ spaceexplained

Chỉ cần viết ra câu hỏi này đã giúp! Tôi hy vọng bạn không phiền khi tôi đăng nó, vì nó có thể giúp đỡ người khác và tôi vẫn cần xác nhận rằng tôi hy vọng rằng mình đã tự mình thoát khỏi câu hỏi hóc búa (không sâu hơn).

Học thuyết

Cấu trúc mà chúng ta thấy trong Vũ trụ đã hình thành từ sự sụp đổ lực hấp dẫn của vật chất từng là một trường khí mật độ gần như trơn tru ("baryon") và vật chất tối$^1$. Từ "gần như" rất quan trọng ở đây, vì nếu nó đã hoàn toàn - hoặc thậm chí không hoàn toàn nhưng nhiều hơn - trơn tru, thì sự sụp đổ sẽ không có thời gian xảy ra trước khi việc mở rộng không gian đã làm loãng vấn đề đủ để ngăn chặn bất kỳ sự sụp đổ, và chúng ta sẽ không bao giờ tồn tại.

Đó là, trường mật độ hơi vón cục, và các cụm này - hoặc quá mức - tồn tại trên tất cả các quy mô. Nhưng việc tính toán kích thước cụm nào sụp đổ trước - kích thước sao, kích thước thiên hà, kích thước cụm, v.v. - khác xa với tầm thường. Các nỗ lực phân tích phải đưa ra một số phép tính gần đúng, nhưng vẫn có thể đưa ra các dự đoán khá có ý nghĩa, sau đó đã được sao lưu và tinh chỉnh bằng các mô phỏng số, và cho đến nay, mặc dù vẫn còn nhiều kết thúc lỏng lẻo, chúng ta có một bức tranh khá tốt về sự hình thành cấu trúc:

Sụp đổ trọng lực

Một sự quá mức được biểu thị bởi $\delta\equiv\rho/\langle\rho\rangle - 1$, Ở đâu $\rho$ là mật độ của sự quá mức và $\langle\rho\rangle$là mật độ trung bình. Sự phát triển của quá mức dưới lực hấp dẫn có thể được tính toán chính xác cho$\delta \ll 1$ sử dụng lý thuyết nhiễu loạn tuyến tính, nhưng khi $\delta$trở thành sự thống nhất trật tự, chế độ phi tuyến tính được đưa vào, và phải thực hiện các phép tính xấp xỉ nghiêm trọng, do đó thay vào đó là một mô phỏng số. Hóa ra là nếu$\delta\gtrsim1.68$(tức là nếu một vùng trong không gian có mật độ gấp 2,68 lần mật độ môi trường xung quanh), nó sẽ sụp đổ. Câu trả lời cho câu hỏi của bạn sau đó được đưa ra bởi kích thước của các cụm đầu tiên đạt tới .$\delta\gtrsim1.68$

Khối đầu tiên

Biến động lượng tử nguyên thủy tăng kích thước trong thời kỳ lạm phát (thừa nhận vẫn còn khá mờ), một phần của giây sau Big Bang. Trong vũ trụ trẻ, năng lượng tối không đáng kể và động lực của Vũ trụ bị chi phối bởi vật chất. Bởi vì vật chất tối bao gồm$^2$$\sim5/6$ trong tổng số tiền, ban đầu chúng ta có thể bỏ qua sự hiện diện của khí, nhưng khi mật độ trở nên rất cao, áp suất khí sẽ tích tụ và chống lại sự sụp đổ.

Sự quá tải được khuếch đại khi vật chất bắt đầu sụp đổ. Nó chỉ ra rằng các dao động mật độ lớn hơn đối với quy mô nhỏ hơn, do đó, khối càng nhỏ, nó sẽ sớm sụp đổ. Điều này dẫn đến sự hình thành cái gọi là cấu trúc "từ dưới lên", trái ngược với những gì đã nghĩ ban đầu; cụ thể là các thiên hà hình thành "từ trên xuống" trong một vụ sụp đổ nguyên khối ( Eggen, Lynden-Bell, & Sandage 1962 ).

Tuy nhiên, phương pháp này bỏ qua cả khí và chuyển động của các hạt vật chất tối (coi nó là cái gọi là vật chất tối lạnh ). Có tính đến các tác động của điều này đặt ngưỡng thấp hơn cho khối lượng của các cấu trúc của$\sim10^5$-$10^6M_\odot$(ví dụ: Naoz và cộng sự 2006 ; Yoshida 2009 ). Do đó, các cấu trúc đầu tiên được hình thành được cho là minihalos gần bằng khối lượng của các cụm cầu.

Sao, thiên hà và cụm

Các ngôi sao bao gồm khí sụp đổ và hầu như không có vật chất tối, và sự hình thành của một ngôi sao do đó cần lý thuyết về thủy động lực học hơn là chỉ trọng lực. Để vật chất sụp đổ xuống các cấu trúc dày đặc như các ngôi sao, nó phải loại bỏ phần lớn năng lượng của nó. Điều này là không thể đối với vật chất tối không va chạm (ít nhất là theo nghĩa thông thường, nhưng bài này ), nhưng khí, có thể va chạm và làm mát bằng cách tỏa ra, có thể làm như vậy$^3$.

Thông qua việc làm mát bức xạ, các minihalos do đó phân mảnh thành các đám mây khí đầu tiên và sau đó là những ngôi sao đầu tiên khi Vũ trụ có tuổi thọ 100 triệu năm. Sau đó, các tập hợp của các ngôi sao đã hợp nhất thành các thiên hà, cuối cùng tạo thành các dải, sợi và cụm thiên hà.

Bụi bặm

Những ngôi sao đầu tiên được hình thành từ hydro và heli tinh khiết (và một lượng nhỏ lithium), và vật liệu chế tạo các hành tinh không tồn tại. Nhưng khi những ngôi sao này - vốn rất lớn - phát nổ thành siêu tân tinh và làm ô nhiễm môi trường liên sao với kim loại$^4$ và sao$^5$, sự hình thành của các ngôi sao nhỏ hơn trở nên khả thi$^6$.

Những hành tinh

Các hạt bụi dính vào nhau tạo thành đá cuội, đá và các hành tinh. Sự hình thành hành tinh có lẽ là không thể đối với các ngôi sao quá lớn$^7$, nhưng với sự hình thành của những ngôi sao nhỏ, điều này trở nên khả thi.

Mốc thời gian

Chúng ta có thể thực hiện các mốc thời gian sau:

1. Minihalos
2. Mây khí
3. Sao
4. Thiên hà
5. Stardust
6. Những hành tinh

Tuy nhiên, lưu ý rằng việc sáp nhập minihalos vào các "thiên hà" lớn hơn (không có số lượng sao đáng kể) cũng có thể xảy ra ở các kỷ nguyên trước đó và đặc biệt là sự hình thành sao (và bụi và các hành tinh) là một quá trình liên tục vẫn diễn ra cho đến ngày nay ( mặc dù phần lớn sự hình thành sao diễn ra khi Vũ trụ khoảng 3 tuổi6 tỷ năm tuổi ( Madau et al. 1998 )).

$^1$_{Và bức xạ, thực sự thống trị mật độ năng lượng cho đến khi vũ trụ $\sim50\,000$ tuổi.}

$^2$_{Thuật ngữ dao động lượng tử nguyên thủy có thể là thuật ngữ tuyệt vời nhất trong vật lý.}

$^3$_{Có những giả thuyết về cái gọi là sao đen , nhưng điều đó vượt quá phạm vi của văn bản này (chủ yếu là vì tôi không hiểu chúng).}

$^4$_{Đối với một nhà thiên văn học, thuật ngữ kim loại có nghĩa là bất kỳ nguyên tố nào nặng hơn helium. Cách này dễ hơn.}

$^5$_{Các nhà thiên văn học chỉ gọi nó là "bụi" và chỉ sử dụng thuật ngữ bụi sao khi nói chuyện với những người không phải là nhà thiên văn học, để họ không ngủ.}

$^6$_{Lý do là với nhiều quá trình chuyển đổi điện tử có thể có của kim loại, khí có nhiều cách để làm mát hơn và do đó có thể sụp đổ vào thời điểm trước đó, trước khi khối sao nguyên sinh đạt khối lượng lớn.}

$^7$_{Bởi vì áp suất bức xạ cao của các ngôi sao rất lớn thổi bay và / hoặc phá hủy bụi (tôi nghĩ, nhưng đây không phải là chuyên môn của tôi).}

Câu trả lời ngắn gọn là chúng ta không biết.

Một câu trả lời mô phạm dài hơn sẽ chỉ ra rằng việc sử dụng một thuật ngữ mà không hiểu ý của bạn về thuật ngữ đó là không bao giờ phù hợp.

Thuật ngữ tôi cảm thấy có vấn đề là "stardust". Trong bức tranh tiêu chuẩn về sự tổng hợp hạt nhân của vụ nổ lớn, chúng tôi rất lạc quan (vì có sự thỏa thuận tốt giữa các tính toán và quan sát về sự phong phú của vũ trụ học) mà chúng tôi hiểu rằng khi Vũ trụ làm mát hydro, heli và dấu vết của các nguyên tố khác được hình thành (lithium là một trong những thường được đề cập). Gần như KHÔNG BAO GIỜ chỉ ra rằng nếu Vũ trụ bao gồm 27% vật chất tối và chỉ 5% vật chất thông thường (chủ yếu là hydro) thì những tính toán này là một thất bại thảm hại: họ không dự đoán được sự tồn tại của vật chất tối! Tất cả điều này bị bỏ qua và chúng tôi chúc mừng bản thân (hay đúng hơn là các "thành tựu" của khoa học truyền thông phổ biến. Bạn không thể bỏ qua hầu hết các vấn đề trong Vũ trụ và hy vọng rằng các mô hình của bạn sẽ chính xác.

Việc ngôi sao đầu tiên đi trước hay đi theo thiên hà đầu tiên ở một mức độ nào đó là vấn đề định nghĩa. Đến một mức độ nào. Không rõ liệu có bất kỳ lỗ đen nào tồn tại trước khi hình thành thiên hà / sao hay không.

Nếu siêu lỗ đen tồn tại, thì bất cứ thứ gì trong phạm vi hấp dẫn của chúng sẽ bao gồm một thiên hà (nếu bạn chọn sử dụng định nghĩa hợp lý về thiên hà). Những gì sẽ tồn tại sau đó sẽ là khí (và plasma), vật chất tối và dấu vết ban đầu của những gì bạn có thể nói là stardust: lithium, boron, v.v. sẽ kết tụ khi va chạm với các nguyên tử tương tự. Mật độ của bụi này sẽ quá thấp, tôi nghĩ, để hình thành các hành tinh mà không có các vật thể khác can thiệp vào. (Mặc dù tôi có lẽ không bao giờ nên nói không bao giờ). OTOH, nếu các lỗ đen duy nhất hiện có đủ nhỏ, có lẽ chúng sẽ bốc hơi chỉ với các hiệu ứng thoáng qua trên động lực học hạt. Vì vậy, chúng ta có thể bỏ qua sao, hầu hết được hình thành trong các ngôi sao đầu tiên (Thế hệ III).

Câu hỏi là: cái nào đến trước; thiên hà hay sao? Và câu trả lời là: chính xác định nghĩa một thiên hà là gì? Chúng tôi tin rằng có sự dao động mật độ sẽ dẫn đến sự sụp đổ lực hấp dẫn của khí bao quanh chúng (và tạo ra chúng). Tại thời điểm nào chuyển động này đủ điều kiện để được phân biệt với các chuyển động khác (khối lượng sụp đổ khác)? Có lẽ bạn có thể đoán rằng nó sẽ phụ thuộc vào cả vật chất tối hiện diện VÀ vận tốc (nhiệt độ) của khí. Một phân tích cẩn thận có thể liên quan đến vận tốc thoát (và như bạn có thể biết, điều đó phụ thuộc vào sự phân bố vật chất tối) và điểm mà "khí" nhất đang quay quanh chứ không phải là va chạm ngẫu nhiên sẽ lần lượt dựa vào "hầu hết" nghĩa là gì (51%, 90%, 99%, ...).

Vì vậy, xác định thuật ngữ thiên hà. Nếu bạn xác định nó theo các ngôi sao, thì câu trả lời thật dễ dàng: (một số) ngôi sao xuất hiện đầu tiên. Nếu bạn xác định nó theo các vùng hấp dẫn, thì có thể câu trả lời là cả hai. Đó là, trong một số trường hợp, hydro có đủ thời gian để sụp đổ thành một ngôi sao trước khi khí "hầu hết" bị ràng buộc bởi một "thiên hà" gần nhất (có lẽ proto-galaxy sẽ là một thuật ngữ tốt hơn ở đây) và ở những nơi khác, protogal Wax đã tự xác định trước khi ngôi sao đầu tiên sáng lên. Chúng tôi không biết.

Thật sai lầm khi cho rằng Vũ trụ như chúng ta thấy ngày nay là một xấp xỉ hợp lý của Vũ trụ vì nó sẽ xuất hiện chỉ 10 hoặc 100 triệu năm sau vụ nổ lớn.

Các mô hình của chúng ta chưa đủ tốt (và có lẽ sẽ không tồn tại cho đến khi chúng ta hiểu nhiều hơn về vật chất tối là gì và nó hoạt động như thế nào) để tự tin rằng các protogalaxies tồn tại trước những ngôi sao đầu tiên hoặc những ngôi sao đầu tiên sáng lên trước các khu vực tôi đang gọi protogalaxies là các hệ thống riêng biệt.