可观测宇宙实际约含2.14 x 10²¹颗恒星,远低于简单乘法的估算。

太阳是我们这颗星球上一切光、热和能量的终极来源。由此自然会问:宇宙中到底有多少颗像太阳这样的恒星?即使在晴朗漆黑的夜晚,肉眼在全天穹顶也只能看到约6000颗,大多数在几千光年以内。这只是银河系中极小的一部分。银河系直径超过10万光年,包含约4000亿颗恒星。而仅在20年前我们还以为本星系群只有五六十个星系,今天我们知道至少有200个,大多数是小型矮星系。

宇宙中有多少颗恒星?简单的乘法估算会让你高估几百倍
在欧米茄半人马座中心,从银河系中地球位置可见的最大且最丰富的球状星团之一,许多不同颜色的恒星都被观测到。

最直觉的算法是把银河系的恒星数乘以宇宙中的星系总数。可观测宇宙中有6万亿到20万亿个星系,每有一个类似银河系的大型星系就对应30到100个矮星系。简单相乘会得出一个天文数字,但这会高估数百倍,连欧洲空间局都犯过这个错误。

宇宙中有多少颗恒星?简单的乘法估算会让你高估几百倍
一张JWST深场图像的一部分,以哈勃望远镜的观测结果为对应图像。

原因在于这个方法做了几个不成立的假设:银河系比绝大多数星系更大更重,不代表宇宙中星系的"平均值";太阳比95%的恒星质量更大,不代表恒星的平均值;数十亿光年外的星系被我们看到的是它们数十亿年前的样子,那时的星系与今天差异巨大。第一批恒星形成于大爆炸后数千万到数亿年,当时宇宙几乎只有氢和氦以及极少量锂,99.9999999%的原子是氢和氦的形式。这两种元素是传导和辐射热量的"糟糕原子",最早期的气体云只能通过偶尔形成的双原子氢分子(H2)来散热,效率极低。因此第一批恒星质量巨大,平均质量约为太阳的10倍,有的甚至达数百倍太阳质量。正如《银翼杀手》那句台词"燃烧两倍明亮的火焰,寿命减半",但对恒星来说更残酷,质量翻倍意味着亮度约八倍、寿命仅八分之一。第一批恒星寿命仅几百万年,没有一颗存活至今。

宇宙中有多少颗恒星?简单的乘法估算会让你高估几百倍
摩根-基南光谱分类系统,其表面温度范围为开尔文,高于该等级。如今绝大多数恒星都是M级恒星,在25个解析器中只有1个已知的O级或B级恒星。我们的太阳是一颗G级恒星,同时拥有约5%至10%的恒星。然而,在早期宇宙中,几乎所有恒星都是O级或B级恒星,其平均质量是当今平均恒星的25倍。

宇宙中有多少颗恒星?简单的乘法估算会让你高估几百倍
古德斯-南域的这个深场区域包含18个星系,其恒星形成速度极快,因此内部恒星的数量将在短短1000万年内翻一番。

通过2014年一篇里程碑综述整合的宇宙恒星形成史数据,加上JWST等新观测的补充,研究者精确地计算得出:宇宙历史上累计形成了约2.21 x 10²¹颗恒星。扣除已死亡的约3%最炽热的大质量恒星,今天可观测宇宙中现存约2.14 sextillion颗恒星。宇宙年轻时恒星形成速度远快于今天:宇宙49亿岁时已累计形成当前50%的恒星,而宇宙10亿岁时仅有1%。今天的恒星形成率仅为峰值的3%,巅峰出现在100多亿年前。在461亿光年半径的可观测宇宙中,平均每边长1万光年的立方体仅有5颗恒星,星系之间的虚空极其广袤。如果问我们实际能看到多少,答案更少:由于光速有限,越远的地方我们看到的是越早的过去,实际只能看到约8 x 10¹⁹颗,仅占现有总数的4%。这个数字仅相当于简单乘法估算结果的十万分之一。

原文:https://bigthink.com/starts-with-a-bang/overestimated-stars-in-universe/