Met behulp van driedimensionale stralingshydrodynamica-simulaties met hoge resolutie en een gedetailleerd supernova-fysicamodel dat op supercomputers wordt uitgevoerd, heeft een onderzoeksteam onder leiding van Dr. Ke-Jung Chen van het Instituut voor Astronomie en Astrofysica, Academia Sinica (ASIAA) onthuld dat de fysieke eigenschappen van de eerste sterrenstelsels worden in kritische mate bepaald door de massa van de eerste sterren. Hun onderzoek is gepubliceerd in The Astrophysical Journal .

Er wordt aangenomen dat de kosmische dageraad ongeveer 200 tot 400 miljoen jaar na de oerknal is begonnen en het einde van de kosmische donkere middeleeuwen markeert met de verlichting van de eerste sterren (Pop III-sterren) en sterrenstelsels. Gebaseerd op de moderne kosmologie biedt de hiërarchische samenstelling van halo's van donkere materie (DM) zwaartekrachtbronnen die de vorming van oergassen vergemakkelijken, wat aanleiding geeft tot de geboorte van de eerste sterren binnen mini-DM-halo's met massa's van ongeveer 1 miljoen zonsmassa's. P>

Na het verschijnen van de eerste sterren brengt de injectie van straling, metalen en massa van deze sterren en hun supernova's een transformatief proces op gang, waardoor het eenvoudige vroege heelal in een toestand van toenemende complexiteit evolueert. De kosmische dageraad symboliseert de tweede faseovergang na de oerknal. Toch blijft de cruciale overgang van individuele eerste sterren naar de vorming van de eerste sterrenstelsels een centrale puzzel in de moderne astrofysica.

Wanneer DM-halo's massa's bereiken van ongeveer 1 miljard zonsmassa's door de hiërarchische samenstelling van structuurvorming, worden ze groot genoeg om opeenvolgende cycli van geboorte en explosie van sterren te ondersteunen. Dit markeert de opkomst van de eerste sterrenstelsels, omdat ze de stervorming in stand kunnen houden zonder alle brandstof aan het intergalactische medium te verliezen.

De vorming van deze eerste sterrenstelsels wordt niet alleen beïnvloed door de evolutie van DM, maar ook door de ontmoedigende gasfysica. Complexe chemische, stralings- en mechanische feedback van de eerste sterren en hun supernova's speelden een cruciale rol bij het vormgeven van de sterpopulaties in de eerste sterrenstelsels.

Om dit belangrijke probleem aan te pakken, leidde Dr. Ke-Jung Chen de explosiegroep bij het gebruik van krachtige supercomputers om 3D-stralings-hydrodynamica-simulaties met hoge resolutie uit te voeren, waarbij gedetailleerde supernovafysica werd gebruikt om de vorming van de eerste sterrenstelsels te modelleren.

Hun resultaten laten zien dat de fysieke eigenschappen van de eerste sterrenstelsels worden bepaald door de massa van de eerste sterren. Supernova's van massieve eerste sterren produceren meer metalen, waardoor het oergas wordt beïnvloed door het af te koelen en de vorming van sterren met een lage massa mogelijk wordt.

In tegenstelling tot de grote spiraalvormige structuur van onze Melkweg vertonen deze eerste sterrenstelsels onregelmatige vormen zonder rotatieondersteuning. Binnen hun centrale gebieden kunnen zich enkele honderden tot enkele duizenden sterren van de tweede generatie (Pop II-sterren) vormen. De metalliciteit van het gas in de eerste sterrenstelsels is verrijkt tot ongeveer 0,01 solaire metalliciteit.

De simulaties suggereren ook dat de eerste sterren geen overheersend onderdeel waren van de meeste eerste sterrenstelsels, aangezien gas in massieve halo's doorgaans vervuild werd door metalen uit andere Pop III-supernova's tijdens hiërarchische assemblage voordat het instortte tot ongerepte sterren.

Deze eerste sterrenstelsels worden beschouwd als het herkenningspunt van de kosmische dageraad, en hun directe detectie in het universum is een belangrijk doel voor de James Webb Space Telescope (JWST) en de komende 30-meter telescopen op de grond. Deze bevinding slaat een brug tussen de ondergang van de eerste sterren en de opkomst van de eerste sterrenstelsels, en biedt waardevolle inzichten in de fysica van de kosmische dageraad.

Meer informatie: Ke-Jung Chen et al, Hoe populatie III-supernovae de eigenschappen van de eerste sterrenstelsels bepaalden, The Astrophysical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-4357/ad2684

Aangeboden door ASIAA