Forskere afslører historien om de ældste stjerner og galakser, kompileret ud fra 20 års simulering af det tidlige univers

Big Bang har fanget vores fantasi som ingen anden videnskabsteori:den storslåede, eksplosive fødsel af vores univers. Men ved du, hvad der kom derefter?

Omkring 100 millioner år med mørke.

Da kosmos til sidst oplyste sine allerførste stjerner, de var større og lysere end nogen af ​​de efterfølgende. De skinnede med UV-lys så intenst, det forvandlede de omgivende atomer til ioner. The Cosmic Dawn – fra den første stjerne til fuldførelsen af ​​denne 'kosmiske genionisering', varede omkring en milliard år.

"Hvor kom disse stjerner fra? Og hvordan blev de til galakserne - universet, der vrimler med stråling og plasma - som vi ser i dag? Det er vores drivende spørgsmål, " siger professor Michael Norman, Direktør for San Diego Supercomputer Center og hovedforfatter af en ny anmeldelse offentliggjort i Grænser i astronomi og rumvidenskab .

Universet i en æske

Forskere som professor Norman løser matematiske ligninger i et kubisk virtuelt univers.

"Vi har brugt over 20 år på at bruge og forfine denne software, for bedre at forstå det kosmiske daggry."

At begynde, kode blev skabt, som gjorde det muligt at modellere dannelsen af ​​de første stjerner i universet. Disse ligninger beskriver bevægelsen og kemiske reaktioner inde i gasskyer i et univers før lys, og den enorme tyngdekraft af en meget større, men usynlig masse af mystisk mørkt stof.

"Disse skyer af rent brint og helium kollapsede under tyngdekraften for at antænde en enkelt, massive stjerner - hundredvis af gange tungere end vores sol, " forklarer Norman.

De allerførste tunge grundstoffer blev dannet i trykkogerkernerne i de første stjerner:kun en smule lithium og beryllium. Men med disse kortlivede giganters død - kollapsende og eksploderende i blændende supernovaer - blev metaller så tunge som jern skabt i overflod og sprøjtet ud i rummet.

Ligninger blev føjet til det virtuelle univers for at modellere berigelse af gasskyer med disse nydannede metaller - som drev dannelsen af ​​en ny type stjerne.

"Overgangen var hurtig:inden for 30 millioner år, stort set alle nye stjerner var metalberiget."

Dette er på trods af, at kemisk berigelse var lokal og langsom, efterlader mere end 80 % af det virtuelle univers metalfrit ved afslutningen af ​​simuleringen.

"Danningen af ​​metalfri kæmpestjerner stoppede ikke helt - små galakser af disse stjerner skulle eksistere, hvor der er nok mørkt stof til at afkøle uberørte skyer af brint og helium.

"Men uden denne enorme tyngdekraft, den intense stråling fra eksisterende stjerner opvarmer gasskyer og river deres molekyler fra hinanden. Så i de fleste tilfælde, den metalfri gas kollapser fuldstændig og danner en enkelt, supermassivt sort hul."

Fra stjerner til galakser

"De nye generationer af stjerner, der er dannet i galakser, er mindre og langt flere, på grund af de kemiske reaktioner, der er muliggjort med metaller, " konstaterer Norman.

Det øgede antal reaktioner i gasskyer tillod dem at fragmentere og danne flere stjerner via 'metallinjekøling':områder med nedsat gasdensitet, hvor kombinerende elementer får plads til at udstråle deres energi ud i rummet - i stedet for hinanden.

På dette stadium har vi de første objekter i universet, der med rette kan kaldes galakser:en kombination af mørkt stof, metalberiget gas, og stjerner.

"De første galakser er mindre end forventet, fordi intens stråling fra unge, massive stjerner driver tæt gas væk fra stjernedannende områder.

"På tur, stråling fra de allermindste galakser bidrog væsentligt til kosmisk reionisering."

Disse svært at opdage, men talrige galakser kan derfor stå for den forudsagte slutdato for det kosmiske daggry – dvs. da den kosmiske genionisering var fuldendt.

Tænker ud af boksen

Norman og kolleger forklarer, hvordan nogle grupper overvinder computerbegrænsninger i disse numeriske simuleringer ved at importere deres færdige resultater, eller ved at forenkle dele af en model, der er mindre relevante for resultaterne af interesse.

"Disse semi-analytiske metoder er blevet brugt til mere præcist at bestemme, hvor længe massive metalfrie tidlige stjerner blev skabt, hvor mange skal stadig kunne observeres, og bidraget af disse – såvel som sorte huller og metalberigede stjerner – til kosmisk reionisering."

Forfatterne fremhæver også områder med usikkerhed, der vil drive en ny generation af simuleringer, ved at bruge nye koder, på fremtidige højtydende computerplatforme.

"Disse vil hjælpe os med at forstå rollen af ​​magnetiske felter, Røntgenstråler og rumstøv i gaskøling, og identiteten og adfærden af ​​det mystiske mørke stof, der driver stjernedannelsen."