Een mensenleven is op zijn minst een miljoen keer te kort om een sterrenstelsel te zien veranderen. Toch kunnen we de veranderingen zien door te kijken naar steeds vroegere stadia in de evolutie van ons heelal. Hoe verder we in de ruimte kijken, hoe meer we terugkijken in de tijd en hoe jonger dus ook het heelal en de daarin liggende sterrenstelsels zijn. Als we echt grote verschillen met de huidige sterrenstelsels willen opmerken moeten we miljarden lichtjaren ver weg, of miljarden jaren terug in de tijd kijken.
Het jonge heelal
In de eerste 380 000 jaar na de oerknal is het heelal een ondoorzichtige soep van elementaire deeltjes. Pas wanneer de temperatuur van het jonge heelal voldoende gedaald is, tot 3000 K, kunnen de eerste atomen ontstaan en wordt het heelal transparant. Uit deze periode stamt ook de achtergrondstraling. Uit studies van die achtergrondstraling blijkt dat de 'oersoep' niet volmaakt homogeen was: er zaten kleine verdichtingen in, fluctuaties in de dichtheid.
De kosmische achtergrondstraling, zoals waargenomen door de Planck-sonde.
De verdere evolutie van het jonge heelal ligt volledig in de handen van de aantrekkingskracht. Want deze kracht deed de uitdijende massa, op plaatsen waar er verdichtingen waren, terug samenklonteren. Zo'n plaatsen oefenden een nog grotere aantrekkingskracht op hun omgeving uit, wat leidde tot het aantrekken van andere deeltjes. Uiteindelijk begonnen verschillende materiewolken elkaars aantrekkingskracht te voelen en naar elkaar toe te bewegen. Zo veroorzaakten uitdijing en aantrekkingskracht een opsplitsing in leegte en materie.
Vermits het heelal uitzet, heerste er vroeger een grotere dichtheid. Daardoor konden er miljarden jaren geleden sterrenstelsels ontstaan. De huidige gemiddelde materiedichtheid van het heelal, 9 * 10-28 kg m3, is te laag om nog nieuwe sterrenstelsels te kunnen vormen.
Het blijft een vraag wanneer die structuren zich zijn gaan vormen en in welke toestand de kosmische materie toen verkeerde. Wellicht ontbrandde 50 miljoen jaar na de oerknal de eerste ster (een superster) en kwam daarmee een einde aan de duisternis. Zij werd geboren in het midden van een dikke gaswolk. De superster was wellicht zeer zwaar (duizenden zonsmassa's) en leefde slechts kort, maar niet lang na haar geboorte ontstonden er nog meer lichtjes in het heelal. Deze sterren worden soms Populatie III-sterren genoemd.
Het ontstaan van protosterrenstelsels
Het is waarschijnlijk rond deze supersterren dat de eerste protosterrenstelsels zo'n 100 miljoen jaar na de oerknal zijn ontstaan. De eerste sterren zijn inmiddels al vervallen tot een zwart gat, dat de kern van de jonge sterrenstelsels vormt. De ijle wolken rondom de kern trekken samen tot gasbollen, waarin nieuwe sterren ontstaan. Deze jonge hete sterren blazen door hun straling gaten in de gaswolken. Wanneer ze op het einde van hun leven komen, stoten ze gas en stof uit en veranderen ze in een zwart gat. Uit het gas en stof worden nieuwe sterren geboren.
Hoe komt het dan dat al die sterrenstelsels er zo verschillend uitzien? Dat heeft te maken met het impulsmoment en de stervorming van zo'n protostelsel. Wanneer een protosterrenstelsel snel draait en aan een laag tempo sterren vormt, ontstaan door samentrekking een schijf met spiraalarmen. Heeft het stelsel echter een lage rotatiesnelheid en worden er al snel veel sterren gevormd, dan is het gas snel opgebruikt en verandert het protosterrenstelsel slechts weinig van vorm. We krijgen dan een elliptisch sterrenstelsel.
In het jonge heelal lijken er meer spiraalstelsels voor te komen dan in het huidige heelal. Waarom dit zo is, is nog niet duidelijk.
Van protostelsels tot jonge sterrenstelsels
Het hiërarchische model stelt dat de huidige grote sterrenstelsels zich hebben gevormd uit de samensmelting van kleinere stelsels. De protosterrenstelsels bestonden uit een verzameling van ongeveer 100 miljoen sterren. Regelmatig kwamen ze met elkaar in botsing: het heelal was toen nog kleiner dan nu, en de protostelsels stonden dus dichter bij elkaar. Tegelijkertijd werd de massa van de protostelsels steeds groter, doordat ze voortdurend kosmisch gas naar zich toe trokken. De kleinste stelsels werden als snel uiteengerukt door de getijdenkrachten van hun grotere broers. Ze werden opgenomen in het grotere stelsel, of er ontstonden dubbele en meervoudige sterrenstelselsystemen.
Dit hiërarchische model is ontwikkeld op basis van foto's van een grote cluster van sterrenstelsels, op een afstand van 8 miljard lichtjaar. We kijken dus 8 miljard jaar terug in het verleden, naar de periode waarin de sterrenstelsels zich nog aan het ontwikkelen waren. In die oude cluster waren verscheidene paren van botsende stelsels te zien. Daaruit concludeerden de onderzoekers dat er in het vroege heelal meer kosmische botsingen waren dan nu.
Een latere ontdekking lijkt deze theorie te staven: men heeft namelijk in ons eigen Melkwegstelsel sporen teruggevonden van andere stelsels. Zo heeft men tal van sterren ontdekt die van een ander stelsel komen. Ze zijn de resten van een stelsel dat zo'n 8 miljard jaar geleden werd opgeslokt door ons Melkwegstelsel. Rondom heeft men ook een 'kosmische zwemband' waargenomen: een ijle ring, gevuld met miljoenen zeer oude sterren. Deze ring is zo'n 15 000 lichtjaar breed, en wellicht ook een overblijfsel van een recent opgeslokt stelsel. Mogelijk zijn ook een aantal bolhopen, zoals M54 en omega Centauri, resten van kleine sterrenstelsels die zijn opgeslokt door het melkwegstelsel.
Het hiërarchische model, zoals hierboven beschreven, blijkt echter niet helemaal te kloppen met recentere waarnemingen. Als men namelijk stelt dat grote stelsels, van ongeveer 1000 zonsmassa's, enkel en alleen gevormd kunnen zijn door de samenvoegingen van kleine stelsels van ongeveer 100 zonsmassa's, dan heeft men ongeveer 1000 van die kleine stelsels nodig om één groot stelsel te kunnen vormen. Nergens in het jonge heelal heeft men zo'n groot aantal dwergstelsels kunnen terugvinden.
Bovendien heeft men in het zeer jonge heelal, zo'n twee miljard jaar oud, stelsels gevonden die er al net zo 'volwassen' uitzien als ons melkwegstelsel. Hun massa's zijn evenwel 3 tot 10 keer kleiner dan de huidige normale stelsels. De vraag is of deze jonge stelsels al een resultaat kunnen zijn van botsingen, of dat sommige stelsels reeds van in het begin groter waren dan de rest.
De jonge sterrenstelsels
Jonge sterrenstelsels zijn erg helder en blauw van kleur. Dat komt doordat ze talloze jonge, massieve reuzensterren bevatten, die ook blauw zijn. Langzaamaan verandert de kleur van het verouderende sterrenstelsel, doordat stervende sterren hun materiaal onder de vorm van stof door het stelsel verspreiden: het stelsel wordt daardoor roder en minder helder.
Jonge sterrenstelsels zijn ook veel actiever en explosiever. Vroeger moeten er dus ook meer radiosterrenstelsels en quasars bestaan hebben. Dat komt doordat de zwarte gaten in de jonge sterrenstelsels veel meer voedsel krijgen: er is nog veel meer gas in het stelsel aanwezig. De zwarte gaten zenden een enorme straling uit, en met die straling wordt ook materie mee de ruimte ingeblazen, in stromen die loodrecht staan op de schijf van het sterrenstelsel. Deze materiebundels of 'jets' verwaaien pas op honderdduizenden lichtjaren van de kern tot kolossale radiowolken.
De volwassen sterrenstelsels
Eenmaal een sterrenstelsel volwassen is geworden, verloopt de evolutie trager en minder spectaculair. Sterren ontstaan, zenden straling uit, sterven en spuwen hun materie terug de ruimte in. Langzaamaan geraken de stofwolken uitgeput. Een stervende ster spuwt weliswaar veel van haar materiaal terug de ruimte in om nieuwe stofwolken te vormen, maar de kern van de ster blijft als een koude, nagloeiende gasbol achter: een witte dwerg of een neutronenster. In de loop van miljarden jaren geraken de gas- en stofwolken, de kraamkamers van het heelal, geleidelijk uitgeput. Het sterrenstelsel dooft dus geleidelijk aan uit.
Wanneer volwassen sterrenstelsels drastisch van vorm veranderen, is dit wellicht enkel nog te wijten aan extreme gebeurtenissen. Zo kunnen er explosies binnenin het sterrenstelsel zijn, of kan het stelsel interageren met andere sterrenstelsels. Bij botsing van twee spiraalsterrenstelsels kan soms één groot elliptisch gevormd worden.
Dood van sterrenstelsels
Aan alles komt een eind, ook aan de evolutie van het heelal waarin we leven. Ooit houdt het heelal op te evolueren, en zal er niets meer veranderen. Maar zelfs twintig miljard jaar na de oerknal, wanneer de aarde verkoold is en de zon zijn warmte heeft verloren, is het heelal zelf nog steeds jong en dynamisch. Andere sterrenstelsels zullen nog in volle ontwikkeling zijn, en overal ontstaan nieuwe sterren en planeten.
In ons melkwegstelsel zijn talloze zware sterren al opgebrand en geëxplodeerd. Zelfs kleine sterren als de zon zijn uitgeblust en verschrompeld, maar overal om ons heen storten donkere wolken van gas en stof ineen tot nieuwe sterren.
Botsingen van sterrenstelsels komen overal nog voor, en brengen nieuwe geweldige geboortegolven van sterren teweeg. Het sterrenstelsel herleeft. Maar de heropleving is van korte duur. De babyboom stopt, en er vormen zich reusachtige ellipsvormige stelsels die honderden miljarden sterren bevatten, maar vrijwel geen interstellair gas meer. Naarmate het heelal verder uitdijt worden kosmische botsingen steeds zeldzamer. Sterrenstelsels verdwijnen uit elkaars zicht. Geïsoleerde stelsels verbruiken hun gasvoorraad. Aan de vorming van nieuwe sterren zal ooit een einde komen. Als de klok op honderd miljard jaar staat, worden de sterrenstelsels enkel nog bevolkt door dwergsterren, compacte neutronensterren en zwarte gaten. In een zonderling geval zullen er nog sterren opflakkeren, maar net zoals ooit de eerste ster ontbrandde, zo zal ooit de laatste supernova exploderen en het allerlaatste sterlicht uitzenden.
Hierna wordt de kosmos nog steeds geregeerd door de aantrekkingskracht tussen de overblijvende materie. Ironisch genoeg zorgen deze aantrekkingskrachten, die ooit verantwoordelijk waren voor de vorming van clusters en sterrenstelsels, nu voor het trage verval van de structuren in het heelal. Een grotere massa die in de buurt komt van een kleinere stoot deze soms uit zijn omloopbaan rond het stelsel, de ruimte in. Op termijn veroorzaakt dit tergend trage kosmische biljartspel het uiteenvallen van de sterrenstelsels. Dezelfde aantrekkingskrachten trekken andere sterren juist naar het centrum van een sterrenstelsel toe. Daar liggen de supermassieve zwarte gaten op de loer. Terwijl de sterrenstelsels aan de rand leegdruppelen, worden ze van binnenuit leeggevreten door steeds zwaarder wordende zwarte gaten - tot het sterrenstelsel uiteindelijk verdwenen is.