Afsløring af dannelsen af ​​de første galakser

Ved at bruge højopløselige tredimensionelle strålingshydrodynamiske simuleringer og en detaljeret supernovafysikmodel kørt på supercomputere har et forskerhold ledet af Dr. Ke-Jung Chen fra Institut for Astronomi og Astrofysik, Academia Sinica (ASIAA) afsløret, at de fysiske egenskaber af de første galakser er kritisk bestemt af de første stjerners masser. Deres undersøgelse er offentliggjort i The Astrophysical Journal .

Den kosmiske daggry forventes at være begyndt cirka 200-400 millioner år efter Big Bang, hvilket markerer afslutningen på den kosmiske mørke tidsalder med belysningen fra de første stjerner (Pop III-stjerner) og galakser. Baseret på moderne kosmologi giver den hierarkiske samling af mørkt stof (DM) haloer gravitationsbrønde, der letter dannelsen af ​​primordiale gasser, hvilket giver anledning til fødslen af ​​de første stjerner inden for mini DM-haloer med masser på omkring 1 million solmasser.

Efter fremkomsten af ​​de første stjerner udløser injektionen af ​​stråling, metaller og masse fra disse stjerner og deres supernovaer en transformativ proces, der udvikler det simple tidlige univers til en tilstand af stigende kompleksitet. Det kosmiske daggry symboliserer den anden faseovergang efter Big Bang. Alligevel forbliver den afgørende overgang fra individuelle første stjerner til dannelsen af ​​de første galakser et centralt puslespil i moderne astrofysik.

Når DM-haloer når masser af omkring 1 milliard solmasser gennem den hierarkiske samling af strukturdannelse, bliver de massive nok til at opretholde successive cyklusser af stjernernes fødsel og eksplosion. Dette markerer fremkomsten af ​​de første galakser, da de kan opretholde stjernedannelse uden at miste alt brændstoffet til det intergalaktiske medium.

Dannelsen af ​​disse første galakser er ikke kun påvirket af udviklingen af ​​DM, men også af den skræmmende gasfysik. Kompleks kemisk, strålingsmæssig og mekanisk feedback fra de første stjerner og deres supernovaer spillede en afgørende rolle i udformningen af ​​stjernepopulationerne i de første galakser.

For at løse dette betydelige problem, ledede Dr. Ke-Jung Chen eksplosionsgruppen i at bruge kraftige supercomputere til at udføre højopløselige 3D-stråling-hydrodynamik-simuleringer, der inkorporerede detaljeret supernovafysik til at modellere dannelsen af ​​de første galakser.

Deres resultater afslører, at de fysiske egenskaber af de første galakser er bestemt af de første stjerners masser. Supernovaer fra massive første stjerner producerer flere metaller, hvilket påvirker urgassen ved at afkøle den og muliggøre dannelsen af ​​lavmassestjerner.

I modsætning til vores Mælkevejs store spiralstruktur udviser disse første galakser uregelmæssige former uden rotationsstøtte. Inden for deres centrale områder kan der dannes et par hundrede til nogle få tusinde andengenerationsstjerner (Pop II-stjerner). Metalliciteten af ​​gassen i de første galakser er blevet beriget til omkring 0,01 solar metallicitet.

Simuleringerne tyder også på, at de første stjerner ikke var en dominerende komponent i de fleste første galakser, da gas i massive glorier typisk blev forurenet af metaller fra andre Pop III supernovaer under hierarkisk samling, før den kollapsede til uberørte stjerner.

Disse første galakser betragtes som vartegn for den kosmiske daggry, og deres direkte påvisning i universet er et væsentligt mål for James Webb Space Telescope (JWST) og kommende 30-meter-klasse jordbaserede teleskoper. Denne opdagelse danner en bro mellem de første stjerners død og fremkomsten af ​​de første galakser og giver værdifuld indsigt i fysikken i det kosmiske daggry.

Flere oplysninger: Ke-Jung Chen et al., How Population III Supernovae Determined the Properties of the First Galaxies, The Astrophysical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-4357/ad2684

Leveret af ASIAA