Under lång tid lutade vår förståelse av universums första galaxer mycket på teori. Ljuset från den tiden nådde oss först efter att ha rest i miljarder år, och på vägen var det skymt och sträckt ut i det infraröda. Ledtrådar om de första galaxerna är gömda i det röriga ljuset. Nu när vi har rymdteleskopet James Webb och dess kraftfulla infraröda kapacitet, har vi sett längre in i det förflutna – och med mer klarhet – än någonsin tidigare.
JWST har avbildat några av de allra första galaxerna, vilket leder till en flod av nya insikter och utmanande frågor. Men den kan inte se enskilda stjärnor.
Hur kan astronomer upptäcka deras inverkan på universums första galaxer?
Stjärnor är kraftfulla, dynamiska objekt som utövar en stark kraft. De kan smälta samman atomer till helt nya element, en handling som kallas nukleosyntes. Supernovor är särskilt effektiva på detta, eftersom deras kraftfulla explosioner släpper lös en malström av energi och materia och sprider den tillbaka ut i universum.
Supernovor har funnits sedan universums tidiga dagar. De första stjärnorna i universum kallas Population III-stjärnor, och de var extremt massiva stjärnor. Massiva stjärnor är de som exploderar som supernovor, så det måste ha funnits ett orimligt stort antal supernovor bland Population III-stjärnorna.
Ny forskning undersöker hur alla dessa supernovor måste ha påverkat deras värdgalaxer. Uppsatsen "How Population III Supernovae Determined the Properties of the First Galaxies" har godkänts för publicering av The Astrophysical Journal och skickas till arXiv . Huvudförfattare är Ke-Jung Chen från Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica, Taiwan.
Stjärnmetallicitet är kärnan i detta arbete. När universum började bestod det av ursprungligt väte, helium och endast spårmängder av litium och beryllium. Om du kontrollerar din periodiska tabell är dessa de fyra första elementen. Grundämnen tyngre än väte och helium kallas "metaller" inom astronomi, och metalliciteten i universum ökar med tiden på grund av stjärnnukleosyntesen.
Men väte dominerade universum då som det gör nu. Först när de första stjärnorna bildades och sedan exploderade började andra element spela en roll.
"Födelsen av primordiala (Pop III) stjärnor vid z ~ 20 ~ 25 markerade slutet på den kosmiska mörka tidsåldern och början av den första galaxen och supermassiva svarta håls (SMBH) formation", skriver författarna till den nya tidningen. Men deras roll som skapare av astronomiska metaller är kärnan i denna forskning.
Forskarna använde hydrodynamiska datorsimuleringar för att undersöka hur Pop III-stjärnor formade tidiga galaxer. De tittade på kärnkollapssupernovor (CCSNe), parinstabilitetssupernovor (PISNe) och Hypernovor (HNe.)
Stjärnor kan bara bildas av kall, tät gas. När gasen är för varm är den helt enkelt inte tillräckligt tät för att kollapsa till protostellära kärnor. Forskarna fann att när Pop III-stjärnor exploderade som supernovor, producerade de metaller och spred dem i den omgivande gasen. Metallerna kylde den stjärnbildande gasen snabbt, vilket ledde till snabbare bildning av fler stjärnor. "Våra fynd tyder på att SNR från en topptung Pop III IMF (initial mass function) producerar fler metaller, vilket leder till effektivare gaskylning och tidigare Pop II-stjärnbildning i de första galaxerna."
Simuleringarna visade att supernovaresterna (SNR) från Pop III SN faller mot mitten av de mörka materiahaloerna de finns i. "Dessa Pop III SNR och urgasen dras av halogravitationen mot dess centrum", författarna förklara. Dessa SNR:er kolliderar ibland och producerar turbulenta flöden. Turbulensen blandar gasen och metallerna från SN och "skapar filamentstrukturer som snart formas till täta klumpar på grund av gasens självgravitation och metallkylning."
Detta leder till mer stjärnbildning, men vid det här laget är de fortfarande Pop III-stjärnor. Dessa är inte berikade av de tidigare Pop III-supernovorna och är fortfarande gjorda av urgas. Några av dessa senare Pop III-stjärnor bildas innan de första når glorias mitt. Det skapar en komplicerad situation.
Den andra omgången av Pop III-stjärnor "påtvingar sedan stark strålning och SN-feedback innan de första Pop III SNR:erna når gloriacentrum", skriver författarna.
Pop III-stjärnorna värmer upp den omgivande gasen med sin kraftfulla UV-strålning, som visas i figuren ovan, vilket hämmar stjärnbildningen. Men de är enorma stjärnor och de lever inte särskilt länge. När de väl exploderar sprider de metaller ut i sin omgivning, vilket kan kyla gas och utlösa mer stjärnbildning. "Efter sin korta livslängd på cirka 2,0 Myr dör stjärnan som en PI SN, och dess chock värmer gasen till höga temperaturer (> 105 K) och sprutar ut en stor massa metaller som förbättrar kylningen och främjar en övergång till Pop II SF ," förklarar författarna.
Det var här Pop III-stjärnorna formade de tidigaste galaxerna. Genom att injicera metaller i molnen av stjärnbildande gas kylde de gasen. Avkylningen fragmenterade molnen av stjärnbildande gas, vilket gjorde följande generation av Pop II-stjärnor mindre massiva. "På grund av den effektiva metallkylningen skiftade massskalan för dessa Pop II-stjärnor till en låg massaände och bildades i en klunga, som visas i den högra panelen i figur 6."
Pop III-stjärnor existerade mestadels i haloer av mörk materia. Forskningen visar dock hur de formade de efterföljande Pop II-stjärnorna, som befolkade de tidiga galaxerna. En fråga som astronomer har ställts inför angående de första galaxerna är om de var fyllda med extremt metallfattiga (EMP) Pop II-stjärnor. Men den här forskningen visar motsatsen. "Vi finner alltså att EMP-stjärnor inte var typiska för de flesta primitiva galaxer", avslutar författarna.
Mer information: Ke-Jung Chen et al, Hur Population III Supernovor bestämde egenskaperna hos de första galaxerna, arXiv (2022). DOI:10.48550/arxiv.2211.06016
Tillhandahålls av Universe Today
