Entropie is dé beslissende factor in de stervorming geweest afgelopen tien miljard jaar

Sterrenkundigen hebben met NASA’s Chandra röntgen-ruimtetelescoop 95 clusters van sterrenstelsels onderzocht, variërend in afstand van 3,4 tot 9,9 miljard lichtjaar van ons vandaan, en de uitkomst was dat ze ontdekt hebben wat dé beslissende factor was in de stervorming in de sterrenstelsels. Dat bleek de entropie van het gas te zijn. Michael Caldazilla (Massachusetts Institute of Technology, MIT) en zijn team keken met Chandra én met de South Pole Telescope (SPT) op de Zuidpool naar de clusters en dan in het bijzonder naar de zogeheten’brightest cluster galaxies’ (BCG’s) in de centra van de clusters, de meest heldere sterrenstelsels. De roodverschuiving van de clusters varieerde van  z = 0,3 tot z = 1,7, d.w.z. dat ze tot pakweg tien miljard lichtjaar ver weg liggen. Eén van de factoren in de ontwikkeling van een sterrenstelsels is z’n stervorming, hoeveel sterren er per jaar bij komen. De gedachte was altijd dat het vooral jonge stelsels zijn die een grote productie van nieuwe sterren kennen en dat naarmate ze ouder worden de stervorming afneemt. Maar Caldazilla en z’n team ontdekten iets anders, namelijk dat de stervorming gedurende die periode van 6,5 miljard jaar ongeveer hetzelfde bleef en dat ‘ie afhankelijk was van één beslissende factor: de entropie van het gas in de stelsels.

Entropie is een begrip uit de thermodynamica en het wordt gedefinieerd als ‘een bepaalde verdeling van microtoestanden (bewegingstoestanden van elementaire bouwstenen als atomen en moleculen), binnen een geïsoleerd fysisch systeem.’ Vaak wordt het aangeduid als de mate van chaos of wanorde in een systeem en zou het met het verstrijken van de tijd alleen kunnen toenemen (één heel glas bijvoorbeeld kan wel in duizend stukjes vallen, maar de duizend stukjes zullen nooit vanzelf weer één heel glas vormen). Maar dat is niet correct, want binnen een gesloten systeem kan de entropie ook dalen. In een koelkast kan de entropie dalen als door gebruik van een koelvloeistof warmte wotrdt weggevoerd en de temperatuur in de koelkast daalt. En dat is wat er ook met heet gas in sterrenstelsels kan gebeuren: als wolken van gas en stof door de werking van de zwaartekracht in elkaar kunnen klappen dan kán de entropie binnen de wolken dalen en kan ook de temperatuur dalen. Er zijn dan drie factoren die een rol kunnen spelen bij de vraag wanneer de stervorming start, namelijk de temperatuur, de dichtheid en de entropie. Wat blijkt: het zijn niet de temperatuur en de dichtheid die de beslissende factor zijn, want ze kunnen flink verschillen en ze heffen elkaar min of meer op. Nee, dé beslissende factor blijkt entropie te zijn. Als die ónder een kritische waarde komt dan kan het gas in de wolk overgaan tot stervorming.

Meer informatie vind je in het vakartikel van Calzadilla, M. et al., 2023, ApJ, Submitted; arXiv:2311.00396. Bron: NASA.