Qual è il destino finale di un ammasso di galassie?

Siamo abbastanza consapevoli che gruppi di galassie si allontanano a causa dell'espansione dello spazio, che alla fine li spingerà fuori dall'altro orizzonte degli eventi cosmici, lasciandoli separati, soli, ciascuno un singolo "corpo" all'interno del suo universo locale osservabile senza alcun mezzo per comunicare o influenzare altri cluster.

Gli stessi cluster sono tenuti insieme da un legame gravitazionale che impedisce loro di essere dilaniati internamente dall'espansione dello spazio, almeno supponendo che la densità dell'energia oscura non aumenti drasticamente alla fine.

Che cosa accadrà al cluster però? All'inizio ho pensato che i suoi buchi neri inghiottissero tutta la materia disponibile e si collegassero in un unico buco nero solitario. Ma poi, né i buchi neri alla fine sono eterni, a causa della Radiazione Hawking, né inghiottono tutte le stelle, presumibilmente la maggior parte delle stelle sfugge bene alla gravità.

Bene, allora quali attuali teorie dicono che un gruppo locale di galassie si trasformerà in t → ∞?

Come fai notare, in un Universo in accelerazione, le strutture su larga scala diventeranno sempre più isolate. Quindi ad un certo punto avrai supercluster legati gravitazionalmente separati da vuoti molto grandi e strutture sempre meno filamentose.

Una volta isolato, possiamo quindi studiare le dinamiche di questi supercluster indipendenti. Su scale temporali molto grandi, le galassie si scontreranno e si fonderanno. Dopo le collisioni tenderai a formare galassie ellittiche. Quindi penso che finirai con una grande galassia ellittica singola.

Quindi possiamo essere interessati al futuro delle stelle di queste galassie. Innanzitutto vediamo attualmente che il tasso di formazione stellare ha già raggiunto il picco alcuni miliardi di anni fa. Così come il numero di collisioni di galassie che solitamente colpiscono la formazione stellare, il tasso di formazione stellare continuerà lentamente a diminuire. Inoltre, poiché gli elementi pesanti (tutti gli elementi tranne l'idrogeno e l'elio) si formano nelle stelle, la generazione futura di stelle avrà sempre più elementi pesanti. Dal punto di vista nucleare, l'elemento più stabile è il ferro, quindi su scale temporali molto grandi gli elementi leggeri saranno convertiti in ferro, mentre gli elementi pesanti decadranno in ferro.

$10^{30}$

$t\rightarrow\infty$

Nota: questo è uno scenario ipotetico e ci sono molte incognite

Questo dipende da dove si trova il cluster. Le caratteristiche su larga scala dell'universo (osservate e simulate) sono costituite da filamenti e vuoti. Di seguito una mappa prodotta da Sloan Digital Sky Survey (SDSS) che mostra queste caratteristiche.

Ogni punto qui è una galassia individuale.

Le simulazioni mostrano notevolmente la stessa cosa. Ecco un video della simulazione del millennio$t \rightarrow \infty$

Le galassie potrebbero essere allontanate o scontrarsi tra loro. Questo deriva dalle due possibili teorie: The Big Crunch e The Big Freeze. Ma è vero se consideriamo solo le due galassie di interesse.

Vuoti e buchi neri non dovrebbero essere ignorati in quanto la presenza dovrebbe intensificare o demolire una qualsiasi delle forze esistenti. Questi due sono ugualmente responsabili del destino delle galassie.

EDIT: The Big Crunch e The Big Freeze sono due possibilità teoriche che rappresentano un futuro per il nostro universo. Ognuna delle teorie conclude la fine, in cui l'universo o inizia a ridursi come si era espanso una volta e finisce quindi in una singolarità come una volta iniziato, o l'universo continua ad espandersi incessantemente rendendolo sempre più freddo. I vuoti e i buchi neri non devono essere direttamente correlati ai destini sopra indicati, ma saranno il risultato finale di essi.