Med hjälp av högupplösta tredimensionella hydrodynamiska strålningssimuleringar och en detaljerad supernovafysikmodell som körs på superdatorer, har ett forskarlag under ledning av Dr Ke-Jung Chen från Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica (ASIAA) avslöjat att de fysiska egenskaperna av de första galaxerna bestäms kritiskt av de första stjärnornas massor. Deras studie publiceras i The Astrophysical Journal .
Den kosmiska gryningen förväntas ha börjat cirka 200–400 miljoner år efter Big Bang, vilket markerar slutet på den kosmiska mörka tidsåldern med belysningen från de första stjärnorna (Pop III-stjärnorna) och galaxerna. Baserat på modern kosmologi, ger den hierarkiska sammansättningen av mörk materia-halos gravitationsbrunnar som underlättar bildandet av urgaser, vilket ger upphov till födelsen av de första stjärnorna inom mini-DM-halos med massor av cirka 1 miljon solmassor.
Efter uppkomsten av de första stjärnorna utlöser injiceringen av strålning, metaller och massa från dessa stjärnor och deras supernovor en transformativ process som utvecklar det enkla tidiga universum till ett tillstånd av ökande komplexitet. Den kosmiska gryningen symboliserar den andra fasövergången efter Big Bang. Ändå är den avgörande övergången från individuella första stjärnor till bildandet av de första galaxerna ett centralt pussel i modern astrofysik.
När DM-halos når massor av omkring 1 miljard solmassor genom den hierarkiska sammansättningen av strukturbildning, blir de tillräckligt massiva för att upprätthålla successiva cykler av stjärnfödelse och explosion. Detta markerar uppkomsten av de första galaxerna, eftersom de kan upprätthålla stjärnbildning utan att förlora allt bränsle till det intergalaktiska mediet.
Bildandet av dessa första galaxer påverkas inte bara av utvecklingen av DM utan också av den skrämmande gasfysiken. Komplex kemisk, strålande och mekanisk återkoppling från de första stjärnorna och deras supernovor spelade en avgörande roll för att forma stjärnpopulationerna i de första galaxerna.
För att ta itu med detta betydande problem ledde Dr Ke-Jung Chen explosionsgruppen när det gällde att använda kraftfulla superdatorer för att utföra högupplösta 3D-strålnings-hydrodynamiksimuleringar, med detaljerad supernovafysik för att modellera bildandet av de första galaxerna.
Deras resultat visar att de fysikaliska egenskaperna hos de första galaxerna bestäms av de första stjärnornas massor. Supernovor från massiva första stjärnor producerar fler metaller, vilket påverkar urgasen genom att kyla den och möjliggöra bildandet av stjärnor med låg massa.
I motsats till vår Vintergatans stora spiralstruktur uppvisar dessa första galaxer oregelbundna former utan rotationsstöd. Inom deras centrala regioner kan några hundra till några tusen andra generationens stjärnor (Pop II-stjärnor) bildas. Metalliciteten hos gasen i de första galaxerna har berikats till cirka 0,01 solmetallicitet.
Simuleringarna tyder också på att de första stjärnorna inte var en dominerande komponent i de flesta första galaxerna, eftersom gas i massiva glorier vanligtvis förorenades av metaller från andra Pop III-supernovor under hierarkisk sammansättning innan den kollapsade till orörda stjärnor.
Dessa första galaxer anses vara landmärket för den kosmiska gryningen, och deras direkta upptäckt i universum är ett viktigt mål för James Webb Space Telescope (JWST) och kommande 30-meters-klass markbaserade teleskop. Detta fynd ger en bro mellan de första stjärnornas undergång och uppkomsten av de första galaxerna, och erbjuder värdefulla insikter i den kosmiska gryningens fysik.
Mer information: 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
Tillhandahålls av ASIAA
