Ons begrip van de eerste sterrenstelsels in het heelal leunde lange tijd zwaar op theorie. Het licht uit die tijd bereikte ons pas na miljarden jaren reizen, en onderweg werd het verduisterd en uitgerekt tot in het infrarood. In dat rommelige licht zijn aanwijzingen over de eerste sterrenstelsels verborgen. Nu we de James Webb-ruimtetelescoop en zijn krachtige infraroodmogelijkheden hebben, hebben we verder in het verleden kunnen kijken – en met meer duidelijkheid – dan ooit tevoren.

De JWST heeft enkele van de allereerste sterrenstelsels in beeld gebracht, wat heeft geleid tot een stroom aan nieuwe inzichten en uitdagende vragen. Maar hij kan geen individuele sterren zien.

Hoe kunnen astronomen hun impact op de eerste sterrenstelsels van het universum detecteren?

Sterren zijn krachtige, dynamische objecten die een krachtige kracht uitoefenen. Ze kunnen atomen samensmelten tot geheel nieuwe elementen, een handeling die nucleosynthese wordt genoemd. Supernova's zijn hier bijzonder effectief in, omdat hun krachtige explosies een maalstroom van energie en materie ontketenen en deze weer in het universum verspreiden.

Supernova's bestaan ​​al sinds de beginperiode van het heelal. De eerste sterren in het universum worden Populatie III-sterren genoemd en het waren extreem zware sterren. Het zijn massieve sterren die exploderen als supernova's, dus er moet een buitensporig hoog aantal supernova's zijn geweest onder de Populatie III-sterren.

Nieuw onderzoek onderzoekt hoe al deze supernovae hun gaststelsels moeten hebben beïnvloed. Het artikel "How Population III Supernovae Bepaald the Properties of the First Galaxies" is geaccepteerd voor publicatie door The Astrophysical Journal en wordt gepost op arXiv . De hoofdauteur is Ke-Jung Chen van het Instituut voor Astronomie en Astrofysica, Academia Sinica, Taiwan.

Stellaire metalliciteit vormt de kern van dit werk. Toen het universum begon, bestond het uit primordiaal waterstof, helium en slechts sporenhoeveelheden lithium en beryllium. Als u uw periodiek systeem bekijkt, zijn dit de eerste vier elementen. Elementen die zwaarder zijn dan waterstof en helium worden in de astronomie 'metalen' genoemd, en de metalliciteit in het universum neemt in de loop van de tijd toe als gevolg van de nucleosynthese van sterren.

Maar waterstof domineerde toen het universum, net als nu. Pas toen de eerste sterren ontstonden en vervolgens explodeerden, gingen andere elementen een rol spelen.

"De geboorte van primordiale (Pop III) sterren op z ~ 20 ~ 25 markeerde het einde van de kosmische donkere tijdperken en het begin van de eerste vorming van sterrenstelsels en superzware zwarte gaten (SMBH), " schrijven de auteurs van het nieuwe artikel. Maar hun rol als makers van astronomische metalen vormt de kern van dit onderzoek.

De onderzoekers gebruikten hydrodynamische computersimulaties om te onderzoeken hoe Pop III-sterren vroege sterrenstelsels vormden. Ze keken naar supernovae met instorting van de kern (CCSNe), supernovae met paarinstabiliteit (PISNe) en hypernovae (HNe.)

Sterren kunnen alleen ontstaan ​​uit koud, dicht gas. Wanneer gas te heet is, is het simpelweg niet compact genoeg om in protostellaire kernen te kunnen uiteenvallen. De onderzoekers ontdekten dat wanneer Pop III-sterren als supernova explodeerden, ze metalen produceerden en deze in het omringende gas verspreidden. De metalen koelden het stervormende gas snel af, wat leidde tot een snellere vorming van meer sterren. "Onze bevindingen geven aan dat SNR's van een topzwaar Pop III IMF (initiële massafunctie) meer metalen produceren, wat leidt tot efficiëntere gaskoeling en eerdere Pop II-stervorming in de eerste sterrenstelsels."

Uit de simulaties bleek dat de supernovaresten (SNR) van de Pop III SN naar het centrum van de halo's van donkere materie waarin ze zich bevinden vallen. "Deze Pop III SNR's en het oergas worden door de zwaartekracht van de halo naar het centrum gesleept", zeggen de auteurs. uitleggen. Deze SNR's botsen soms en veroorzaken turbulente stromingen. De turbulentie vermengt het gas en de metalen uit de SN en "creëert draadvormige structuren die zich snel tot dichte klonten vormen als gevolg van de eigen zwaartekracht en de metaalkoeling van het gas."

Dit leidt tot meer stervorming, hoewel het op dit moment nog steeds Pop III-sterren zijn. Deze zijn niet verrijkt door de eerdere Pop III-supernova's en zijn nog steeds gemaakt van primordiaal gas. Sommige van deze latere Pop III-sterren worden gevormd voordat de eerste het midden van de halo bereiken. Dat zorgt voor een ingewikkelde situatie.

De tweede ronde van Pop III-sterren "legt vervolgens sterke stralings- en SN-feedback op voordat de initiële Pop III SNR's het halocentrum bereiken", schrijven de auteurs.

De Pop III-sterren verwarmen het omringende gas met hun krachtige UV-straling, zoals weergegeven in de figuur hierboven, waardoor stervorming wordt geremd. Maar het zijn massieve sterren en ze leven niet erg lang. Zodra ze ontploffen, verspreiden ze metalen in hun omgeving, wat gas kan afkoelen en meer stervorming kan veroorzaken. ‘Na zijn korte levensduur van ongeveer 2,0 miljoen jaar sterft de ster als een PI SN, en zijn schok verwarmt het gas tot hoge temperaturen (> 105 K) en werpt een grote massa metalen uit die de koeling bevorderen en een overgang naar Pop II SF bevorderen. ”, leggen de auteurs uit.

Dit is waar de Pop III-sterren de vroegste sterrenstelsels vormden. Door metalen in de wolken stervormend gas te injecteren, koelden ze het gas af. Door de afkoeling werden de wolken stervormend gas gefragmenteerd, waardoor de volgende generatie Pop II-sterren minder zwaar werd. "Dankzij de effectieve metaalkoeling verschoof de massaschaal van deze Pop II-sterren naar een laag massa-uiteinde en vormden zich een cluster, zoals weergegeven in het rechterpaneel van figuur 6."

Pop III-sterren bestonden meestal in halo's van donkere materie. Het onderzoek laat echter zien hoe ze de daaropvolgende Pop II-sterren vormden, die de vroege sterrenstelsels bevolkten. Eén vraag waarmee astronomen te maken hebben gehad met betrekking tot de eerste sterrenstelsels is of deze gevuld waren met extreem metaalarme (EMP) Pop II-sterren. Maar dit onderzoek laat iets anders zien. ‘We ontdekken dus dat EMP-sterren niet typisch waren voor de meeste primitieve sterrenstelsels’, concluderen de auteurs.

Meer informatie: Ke-Jung Chen et al, Hoe populatie III-supernovae de eigenschappen van de eerste sterrenstelsels bepaalden, arXiv (2022). DOI:10.48550/arxiv.2211.06016

Aangeboden door Universe Today