Selvom vi ikke kan se de første stjerner, kan vi opdage deres indvirkning på de første galakser

I lang tid lænede vores forståelse af universets første galakser meget på teorien. Lyset fra den tid nåede os først efter at have rejst i milliarder af år, og på vejen blev det sløret og strakt ind i det infrarøde. Ledtråde om de første galakser er skjult i det rodede lys. Nu hvor vi har James Webb-rumteleskopet og dets kraftfulde infrarøde muligheder, har vi set længere ind i fortiden – og med mere klarhed – end nogensinde før.

JWST har afbildet nogle af de allerførste galakser, hvilket har ført til en strøm af ny indsigt og udfordrende spørgsmål. Men den kan ikke se individuelle stjerner.

Hvordan kan astronomer opdage deres indvirkning på universets første galakser?

Stjerner er kraftfulde, dynamiske objekter, der udøver en potent kraft. De kan smelte atomer sammen til helt nye grundstoffer, en handling kaldet nukleosyntese. Supernovaer er særligt effektive til dette, da deres kraftige eksplosioner udløser en malstrøm af energi og stof og spreder det tilbage ud i universet.

Supernovaer har eksisteret siden universets tidlige dage. De første stjerner i universet kaldes Population III-stjerner, og de var ekstremt massive stjerner. Massive stjerner er dem, der eksploderer som supernovaer, så der må have været et uforholdsmæssigt højt antal supernovaer blandt Population III-stjernerne.

Ny forskning undersøger, hvordan alle disse supernovaer må have påvirket deres værtsgalakser. Artiklen "How Population III Supernovae Determined the Properties of the First Galaxies" er blevet accepteret til offentliggørelse af The Astrophysical Journal og sendes til arXiv . Hovedforfatteren er Ke-Jung Chen fra Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica, Taiwan.

Stjernemetallicitet er kernen i dette værk. Da universet begyndte, bestod det af primordial brint, helium og kun spormængder af lithium og beryllium. Hvis du tjekker dit periodiske system, er det de første fire elementer. Grundstoffer, der er tungere end brint og helium, kaldes "metaller" i astronomi, og metalliciteten i universet stiger over tid på grund af stjernernes nukleosyntese.

Men brint dominerede universet dengang, som det gør nu. Først da de første stjerner dannedes og derefter eksploderede, begyndte andre elementer at spille en rolle.

"Fødslen af ​​primordiale (Pop III) stjerner ved z ~ 20 ~ 25 markerede afslutningen på den kosmiske mørke middelalder og begyndelsen på den første galakse og supermassive sorte hul (SMBH) formation," skriver forfatterne af det nye papir. Men deres rolle som skabere af astronomiske metaller er kernen i denne forskning.

Forskerne brugte computerhydrodynamiske simuleringer til at undersøge, hvordan Pop III-stjerner formede tidlige galakser. De så på core-kollaps supernovaer (CCSNe), par-instabilitet supernovaer (PISNe) og Hypernovae (HNe.)

Stjerner kan kun dannes af kold, tæt gas. Når gassen er for varm, er den simpelthen ikke tæt nok til at kollapse i protostellære kerner. Forskerne fandt ud af, at når Pop III-stjerner eksploderede som supernovaer, producerede de metaller og spredte dem til den omgivende gas. Metallerne afkølede den stjernedannende gas hurtigt, hvilket førte til hurtigere dannelse af flere stjerner. "Vores resultater indikerer, at SNR'er fra en toptung Pop III IMF (initial massefunktion) producerer flere metaller, hvilket fører til mere effektiv gaskøling og tidligere Pop II-stjernedannelse i de første galakser."

Simuleringerne viste, at supernova-resterne (SNR) fra Pop III SN falder mod midten af ​​de mørkt stof-haloer, de opholder sig i. "Disse Pop III SNR'er og den oprindelige gas trækkes af halo-tyngdekraften mod dens centrum," forfatterne forklare. Disse SNR'er kolliderer nogle gange og producerer turbulente strømme. Turbulensen blander gassen og metallerne fra SN og "skaber filamentære strukturer, der snart dannes til tætte klumper på grund af gassens selvtyngdekraft og metalafkøling."

Dette fører til mere stjernedannelse, selvom de på dette tidspunkt stadig er Pop III-stjerner. Disse er ikke beriget af de tidligere Pop III supernovaer og er stadig lavet af urgas. Nogle af disse senere Pop III-stjerner dannes, før de første når midten af ​​glorien. Det skaber en kompliceret situation.

Den anden runde af Pop III-stjerner "pålægger derefter stærk strålings- og SN-feedback, før de indledende Pop III SNR'er når gloriecentret," skriver forfatterne.

Pop III-stjernerne opvarmer den omgivende gas med deres kraftige UV-stråling, som vist på figuren ovenfor, hvilket hæmmer stjernedannelsen. Men de er enorme stjerner, og de lever ikke særlig længe. Når de eksploderer, spreder de metaller ud i deres omgivelser, som kan afkøle gas og udløse mere stjernedannelse. "Efter sin korte levetid på omkring 2,0 Myr dør stjernen som en PI SN, og dens stød opvarmer gassen til høje temperaturer (> 105 K) og udstøder en stor masse metaller, der forbedrer afkøling og fremmer en overgang til Pop II SF ," forklarer forfatterne.

Det er her Pop III-stjernerne formede de tidligste galakser. Ved at sprøjte metaller ind i skyerne af stjernedannende gas afkølede de gassen. Afkølingen fragmenterede skyerne af stjernedannende gas, hvilket gjorde den følgende generation af Pop II-stjerner mindre massive. "På grund af den effektive metalkøling skiftede masseskalaen af ​​disse Pop II-stjerner til en ende med lav masse og dannede sig i en klynge, som vist i højre panel i figur 6."

Pop III-stjerner eksisterede for det meste i glorier af mørkt stof. Forskningen viser dog, hvordan de formede de efterfølgende Pop II-stjerner, som befolkede de tidlige galakser. Et spørgsmål astronomer har stået over for angående de første galakser er, om de var fyldt med ekstremt metalfattige (EMP) Pop II-stjerner. Men denne forskning viser noget andet. "Vi finder således, at EMP-stjerner ikke var typiske for de fleste primitive galakser," konkluderer forfatterne.

Flere oplysninger: Ke-Jung Chen et al., Hvordan Population III Supernovae bestemte egenskaberne af de første galakser, arXiv (2022). DOI:10.48550/arxiv.2211.06016

Leveret af Universe Today