Los modelos cosmológicos actuales de los inicios del universo se basan en la teoría del Big Bang. Unos 300.000 años después de este evento, el hidrógeno y el helio comenzaron a formarse en un evento llamado ‘recombinación’. Casi todo el hidrógeno era neutro (no ionizado) y rápidamente absorbió la luz, y aún no se había formado ninguna estrella.

Como resultado, este período fue llamado ‘Eras oscuras’. Fue a partir de las fluctuaciones de densidad en esta materia primordial que las estructuras más grandes comenzaron a aparecer. Entonces, las masas de materia comenzaron a condensarse dentro de los halos de materia oscura fría. Estas estructuras primordiales eventualmente se convirtieron en las galaxias que vemos hoy en día.

El proceso detallado por el cual se produjo la formación de galaxias es una importante cuestión abierta para la astronomía. Las teorías pueden dividirse en dos categorías: de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba.

En la teoría arriba y hacia abajo(como el modelo de Lynden-Bell-Sandage Eggen [ELS] ), las protogalaxias se forman en el colapso simultáneo a gran escala que dura alrededor de cien millones de años.

En la teoría abajo hacia arriba(como el modelo Searle-Zinn [SZ] ), pequeñas estructuras tales como aglomerados globulares se forman primero, y luego se forma una galaxia más grande.

Una vez que las protogalaxias comenzaron a formarse y contraerse, las primeras estrellas del halo aparecieron dentro de ellas. Estas estaban compuestas casi enteramente de hidrógeno y helio, y pueden haber sido masivas. Si esto hubiese ocurrido, estas estrellas masivas habrían agotado rápidamente sus reservas de combustible para convertirse en supernovas, con la liberación de elementos pesados en el medio interestelar. Esta primera generación de estrellas volvió a ionizar el hidrógeno neutro circundante, creando bolas de espacio en expansión, a través de las cuales la luz podría viajar fácilmente.

Evolución de las galaxias

Mil millones de años después del comienzo de la formación de una galaxia, las estructuras principales comienzan a aparecer. Se forman cúmulos globulares, el agujero negro supermasivo central y un bulbo galáctico de estrellas pobres en metales. La creación de un agujero negro supermasivo parece tener un papel importante en la regulación del crecimiento de galaxias, por limitar la cantidad total de materia añadida. Durante este periodo inicial, las galaxias pasan por un gran aumento de formación de estrellas.

Durante los dos mil millones de años siguientes, la materia acumulada se dispone en un disco galáctico. Una galaxia sigue absorbiendo materia procedente de nubes de alta velocidad y de galaxias enanas a lo largo de su vida (principalmente hidrógeno y helio). El ciclo de nacimiento y muerte estelar aumenta lentamente la abundancia de elementos pesados, permitiendo entonces la formación de planetas.

La evolución de las galaxias puede ser afectada significativamente por interacciones y colisiones. Uniones de galaxias fueron comunes en la época inicial, y la mayoría de las galaxias tenía una morfología peculiar. Teniendo en vista las distancias entre las estrellas, la gran mayoría de los sistemas estelares en galaxias que colisionan no se ve afectada. Sin embargo, la eliminación gravitacional del gas y polvo interestelares que forman los brazos espirales produce una larga cadena de estrellas conocida como colas de marea.

Como ejemplo de tales interacciones, la Vía Láctea y la vecina galaxia de Andrómeda se aproximan una en dirección a la otra a cerca de 130 km/s y – dependiendo de los movimientos laterales – las dos pueden venir a colisionar dentro de cinco a seis mil millones de años. Aunque la Vía Láctea nunca haya colisionado con una galaxia tan grande como la de Andrómeda, existe una creciente evidencia de ella haber chocado en el pasado con galaxias enanas.

Las interacciones a gran escala de este tipo son raras. A medida que pasa el tiempo, las uniones de sistemas del mismo se vuelven menos comunes. La mayoría de las galaxias brillantes permaneció básicamente inalterada en los últimos miles de millones de años, y la tasa global de formación de estrellas probablemente tuvo su pico hace aproximadamente diez mil millones de años.

En la actualidad, la mayor parte de la formación estelar ocurre en las galaxias más pequeñas, donde no se ha agotado el gas frío. Galaxias espirales, como la Vía Láctea, solamente producen nuevas generaciones de estrellas mientras hay nubes moleculares densas de hidrógeno interestelar en sus brazos en espiral. Las galaxias elípticas ya están desprovistas de este gas, por tanto no forman nuevas estrellas. El suministro de este material necesario para la formación de estrellas es finito; cuando las estrellas han convertido las reservas de hidrógeno disponibles en elementos más pesados, la formación de nuevas estrellas llega a su fin.

Se cree que la era actual de la formación de estrellas continuará durante unos cien millones de años, y luego la ‘era estelar’ terminará después de cerca de diez billones a cien billones de años, cuando las pequeñas enanas rojas comiencen a morir. Al final de la era estelar, las galaxias serán compuestas por objetos compactos enanas marrones, enanas blancas que están en enfriamiento o frías (‘enanas negras’), estrellas de neutrones y agujeros negros. Por último, como resultado de la relajación gravitacional, todas las estrellas caerán en los agujeros negros supermasivos o serán arrojadas hacia el espacio intergaláctico, fruto de colisiones.