宇宙中恒星的衰落和倒下

100多亿年来，宇宙的恒星形成率一直在下降和下降。总有一天，宇宙中的最后一颗恒星将死去。

STARTS WITH A BANG — NOVEMBER 17, 2025

Ethan Siegel

宇宙中大多数已知的最大星系被发现都位于巨大星系团的中心，如这里显示的赫拉克勒斯星系团。随着时间这些星系团内的星系碰撞和合并，导致新恒星形成的爆发，但总体上使星系更贫乏气体。在足够的时间已经经过后，在这样一个星系团内的大多数星系将变成巨大的椭圆星系，而不是包含螺旋的圆盘。Credit: ESO/INAF-VST/OmegaCAM.关键要点

•在我们的宇宙中，恒星形成的典型方式是当一个足够大的分子气体云在它自己的引力下收缩时分裂成巨大的团块。

•在这些团块中，个别过密的区域会聚集越来越多的物质，加热起来并形成原恒星，当它们生长到足够大质量时点燃来变成成熟的恒星。

•但在宇宙历史的过程中，恒星形成率上升到一个最大、平坦，此后一直在下降。这种衰落将永远持续下去，直到最终没有恒星再形成为止。

今天，我们的宇宙被照亮，主要被恒星照亮起来。

这张低分辨率图像显示与詹姆斯韦伯太空望远镜进行的COSMOS网络勘察的全场。在天空中跨越0.54平方度或接近值三个满月的面积，这代表从来获得的最大、最深的宇宙宽场观望。Credit: ESA/Webb, NASA & CSA, G. Gozaliasl, A. Koekemoer, M. Franco, and the COSMOS-Web team

但它没有诞生任何恒星；它们需要合适的条件来形成。

宇宙与生俱来的超密区域随着时间被越来越诞生，但在它们的生长中受到初始过密小幅度、被发现在宇宙尺度上的过密（以及引力穿过它们所需的时间）以及也被仍然高能量的辐射的存在限制，这阻止结构生长任何更快。形成第一批恒星要用数千万到数亿年的时间；然而，在那之前小尺度的物质团块很久就存在。直到恒星形成为止，这些团块中的原子仍然中性的，需要电离的紫外线来提交它们对可见光透明的。Credit: Aaron Smith/TACC/UT-Austin

物质团经由引力生长，吸引越来越多的质量进入它们。

宇宙中第一批恒星开启的描画。没有金属来冷却导致第一批恒星形成的气体团块只有大质量云中最大的团块最终变成恒星：数量比今天的恒星更少但质量比现在的恒星更大。尽管围绕它们有很多封锁光的物质，但一些更长波长的光（当首次发射时）仍然能逃逸进入宇宙之外。Credit: NASA / WMAP Science Team

最终，它们变得如此大质量以至于它们坍塌，引发新的恒星诞生。

由阿塔卡马识别的原星团G333.23-0.06的密集核显示在这些核内大水平多样性的强证据。双核是常见的，形成四元系统的多个双的群也相当常见。内部还发现了三重和五重系统，而对这些高质量的团块，单个恒星原来是相当罕见的。被预计在整个宇宙的星云中形成恒星包括鹰状星云都有类似的块状、碎片化属性。Credit: S. Li et al., Nature Astronomy, 2024

在早期，恒星形成是罕见的，只发生在大质量的、快速增长的区域中。

天生有典型或“正常”过密区域的将生长来有丰富的结构，而过疏的“空无”区域将有更少的结构。然而，早期的小尺度结构主要被密度最高峰值的区域（此处标记为“rarepeak”）统治，这些区域增长最大最快，只对最高分辨率仿真才能看到细节。Credit: J. McCaffrey et al., Open Journal of Astrophysics (submitted), 2023

稍后，被合并和吸积增长造成恒星形成率来稳步上升。

当宇宙中类似大小的星系发生重大合并时它们出自它们内存在的氢气和氦气形成新的恒星。这能造成恒星形成率的严重增加，类似于我们在3000万光年外的附近星系Henize 2-10内观察到的。如果大量气体仍然留在星系内，这个星系将可能演变后合并成另一个盘状星系，或者如果所有或几乎所有气体都被当前的星爆驱逐成为一个椭圆星系。像这样的星爆事件在宇宙历史早期比它们现在是更常见。

Credit: NASA, ESA, Zachary Schutte (XGI), Amy Reines (XGI); Processing: Alyssa Pagan (STScI)

大约30亿年后，恒星以有史以来最快的速度形成：天文学家叫“宇宙正午”。

费米LAT合作的重建宇宙的恒星形成历史，并与来自在文献中另外地方的替代方法的其他数据点比较。我们正在跨过许多不同的测量方法得出一组一致的结果，在红移最高和最早的时间最大的不确定性坚持。这些不确定性代表整个宇宙历史形成的恒星总数中不到1%的不确定性。Credit: Fermi-LAT collaboration & M. Ajello et al., Science, 2018

但之后，恒星形成率开始来下降。

宇宙中的恒星形成率是一个红移的函数，红移本身是一个宇宙时间的函数。总体速率（左）衍自紫外和红外观测，跨时间和空间惊人的一致。请注意，今天的恒星形成只是它高峰期的几个百分点（在3-5%之间），而且大多数恒星被在我们宇宙历史的前50亿年形成。在过去46亿年中，最大只有约15%的恒星形成。恒星形成的直接测量是重要的，但费米LAT测量由恒星产生的光子总数的方法是更优越。Credit: P. Madau & M. Dickinson, 2014, ARAA

不断扩张的宇宙将星系团和星团分开

在宇宙历史的前30亿年里，恒星形成率不断上升直到达到一个峰值为止，但在此后的100亿至110亿年里有一个显著的下降掉。尽管一个巨大量的光子数字已经被恒星产生的累积，但一个在大爆炸中被产生的甚至更大数字的光子。Credit: NASA, ESA/Hubble Collaboration / Adobe Stock / NotjungCG / Big Think / Jacob Hege

宇宙合并变得越来越罕见，只发生在被束缚的系统内。

在M81星系群中两个最大、最亮的星系的多波长观望显示恒星、等离子体和中性氢气。桥接这两个星系的气体桥落到两个成员上，引发新的恒星形成。如果每颗恒星都被缩成一粒沙子，这个星系群将相距3600万公里，但这两个星系将被一个仅略高于400000公里分隔开：即地月距离。在后期，由于暗能量接管扩张的宇宙唯一发生在束缚的星系团和星系群内的星系合并发生。Credit: R. Gendler, R. Croman, R. Colombari; Acknowledgement: R. Jay GaBany; VLA Data: E. de Block (ASTRON)

随着星系间介质稀释，质量吸积变得更少重要的。

在宇宙的大星团和细丝之间是伟大的宇宙空无，其中一些直径能跨数亿光年。长期以来认为宇宙被跨越数亿光年的结构把持在一起的想法，这些超大型超星系团现在已经被安顿，这些巨大的网一样特征被注定会被宇宙的膨胀撕裂开，而宇宙的空无继续来生长。Credit: Andrew Z. Colvin and Zeryphex/Astronom5109; Wikimedia Commons

甚至在星系内部，持续的恒星形成耗尽来创造新恒星所需的气体。

这个空间区域显示银河系平面的一部分，三个延伸的恒星形成区域都彼此并排排列。欧米伽星云（左）、鹰星云（中）和厦普莱斯 2-54（右）只构成在整个星系平面继续导致新生恒星形成的广袤气体和尘埃复合体的一小部分。Credit: European Southern Observatory

欧几里得使命证实了恒星形成跨过去几十亿年的下降。

GLASS早期发布科学项目的早期结果揭示200多个跨越红移和质量的不同范围的来源。这帮助教我们在宇宙时间/演化中在不同质量和阶段上要用什么形成星系，揭示许多非常大质量、非常早期但看起来非常进化的星系。来自哈勃、詹姆斯韦伯太空望远镜、费米、欧几里得等的数据都显示一个在大约100亿至110亿年前达到顶峰此后一直在下降的恒星形成历史。Credit: C. Jacobs, K. Glazebrook et al., arXiv:2208.06516, 2022

现在，在大爆炸138亿年后，新恒星是不常见的。

这个附近的星系NGC 1277，虽然它可能出现与宇宙中发现的其他典型星系相似的，但值得注意的是主要被更老的恒星组成。它的内在恒星群和它的球状星团都是红色的，表明它在大约100亿年内没有形成新的恒星。当一个星系内的所有气体都被驱逐并且没有新的气体进入时，该星系变得永久地“红并死亡”，因为在它内不能形成新的恒星群。Credit: NASA, ESA, and M. Beasley (Instituto de Astrofísica de Canarias)

今天的恒星形成率，仅为它在宇宙正午时的3%，继续来下降。

大天文台起源深场勘察南（GOODS South）场的这个深场区域包含18个形成恒星速度如此之快以至于内部恒星的数量将在短短1000万年内翻一番的星系，仅占宇宙寿命的0.1%。被太空望远镜揭示的宇宙最深处的观望将我们带回宇宙的早期历史，在那里恒星形成率远大于今天，但在那里不到1%宇宙的累计的恒星已经被形成。许多最遥远的星系被发现都位于其他前景星系的附近，这些星系的质量扭曲和放大来自背景天体的光线。Credit: NASA, ESA, A. van der Wel (Max Planck Institute for Astronomy), H. Ferguson and A. Koekemoer (Space Telescope Science Institute), and the CANDELS team

总有一天，最后的气体储藏将被耗尽。

星系团如Abell S740是宇宙中最大的束缚结构。例如，当螺旋合并时形成大量的新恒星，但无论是后合并还是通过加速穿过星团内介质气体都能被剥掉，导致在该星系中恒星形成的结束，并最终一个红色和死亡的最终结构。随着时间推移，恒星形成速度减慢，越来越多的星系变得气体被耗尽甚至没有气体，导致“红色和死亡”的巨型椭圆体，如这里图示。Credit: NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI / AURA); J. Blakeslee

没有燃料，宇宙的恒星的形成将完全停止，重返我们的宇宙到黑暗。

正如恒星往往以双星、三元和更多的多星系统群存在一样，褐矮星也是如此：失败的恒星。有足够间距的来使这些成分能够在很长一段时间内向内螺旋和合并的双星褐矮星系统是有可能的，在那里它们将在后合并形成的红矮星中点燃氢聚变：甚至在宿主星系完全耗尽气体并且星系中的其他恒星已经燃尽之后。如果在围绕新形成的红矮星在适当的距离上存在任何环绕的世界，生命最终可能在未来10^27年甚至潜在的甚至更长的时间内发生。Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

大多寂寞的星期一用图像、视觉和不超过200字告诉一个天文故事。

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