Per molto tempo, la nostra comprensione delle prime galassie dell’universo si è basata fortemente sulla teoria. La luce di quell'epoca ci raggiunse solo dopo aver viaggiato per miliardi di anni e, lungo il percorso, fu oscurata e allungata nell'infrarosso. In quella luce disordinata si nascondono indizi sulle prime galassie. Ora che abbiamo il telescopio spaziale James Webb e le sue potenti funzionalità a infrarossi, possiamo vedere più lontano nel passato e con maggiore chiarezza che mai.
Il JWST ha ripreso alcune delle primissime galassie, portando a una marea di nuove intuizioni e domande stimolanti. Ma non può vedere le singole stelle.
Come possono gli astronomi rilevare il loro impatto sulle prime galassie dell'universo?
Le stelle sono oggetti potenti e dinamici che esercitano una forza potente. Possono fondere insieme gli atomi in elementi completamente nuovi, un atto chiamato nucleosintesi. Le supernove sono particolarmente efficaci in questo senso, poiché le loro potenti esplosioni scatenano un vortice di energia e materia e lo diffondono nell'universo.
Le supernovae esistono fin dagli albori dell'universo. Le prime stelle nell'universo sono chiamate stelle di popolazione III ed erano stelle estremamente massicce. Le stelle massicce sono quelle che esplodono come supernova, quindi deve esserci stato un numero eccessivamente alto di supernovae tra le stelle della Popolazione III.
Una nuova ricerca esamina il modo in cui tutte queste supernovae devono aver influenzato le galassie che le ospitano. L'articolo "How Population III Supernovae Determined the Properties of the First Galaxies" è stato accettato per la pubblicazione da The Astrophysical Journal ed è pubblicato su arXiv . L'autore principale è Ke-Jung Chen dell'Istituto di astronomia e astrofisica, Academia Sinica, Taiwan.
La metallicità stellare è al centro di questo lavoro. All'inizio dell'universo, era composto da idrogeno primordiale, elio e solo tracce di litio e berillio. Se controlli la tua tavola periodica, questi sono i primi quattro elementi. Gli elementi più pesanti dell'idrogeno e dell'elio sono chiamati "metalli" in astronomia e la metallicità nell'universo aumenta nel tempo a causa della nucleosintesi stellare.
Ma l’idrogeno dominava l’universo allora come adesso. Solo quando le prime stelle si formarono e poi esplosero altri elementi iniziarono ad avere un ruolo.
"La nascita delle stelle primordiali (Pop III) a z ~ 20 ~ 25 ha segnato la fine dei secoli bui cosmici e l'inizio della formazione della prima galassia e del buco nero supermassiccio (SMBH)," scrivono gli autori del nuovo articolo. Ma il loro ruolo come creatori di metalli astronomici è al centro di questa ricerca.
I ricercatori hanno utilizzato simulazioni idrodinamiche al computer per esaminare il modo in cui le stelle Pop III hanno modellato le prime galassie. Hanno esaminato le supernovae con collasso del nucleo (CCSNe), le supernovae con instabilità di coppia (PISNe) e le ipernovae (HNe).
Le stelle possono formarsi solo da gas freddo e denso. Quando il gas è troppo caldo, semplicemente non è abbastanza denso da collassare in nuclei protostellari. I ricercatori hanno scoperto che quando le stelle Pop III esplodono come supernove, producono metalli e li diffondono nel gas circostante. I metalli hanno raffreddato rapidamente il gas di formazione stellare, portando a una formazione più rapida di più stelle. "I nostri risultati indicano che gli SNR di un IMF (funzione di massa iniziale) Pop III molto pesante producono più metalli, portando a un raffreddamento del gas più efficiente e a una formazione stellare Pop II più precoce nelle prime galassie."
Le simulazioni hanno mostrato che i resti di supernova (SNR) della SN Pop III cadono verso il centro degli aloni di materia oscura in cui risiedono. "Questi SNR di Pop III e il gas primordiale vengono trascinati dalla gravità dell'alone verso il suo centro", hanno spiegato gli autori. spiegare. Questi SNR a volte si scontrano e producono flussi turbolenti. La turbolenza mescola il gas e i metalli della SN e "crea strutture filamentose che presto si formano in densi grumi a causa dell'autogravità e del raffreddamento del metallo del gas."
Ciò porta a una maggiore formazione di stelle, anche se a questo punto sono ancora stelle Pop III. Queste non sono arricchite dalle precedenti supernove Pop III e sono ancora costituite da gas primordiale. Alcune di queste stelle successive di Pop III si formano prima che quelle iniziali raggiungano il centro dell'alone. Ciò crea una situazione complicata.
Il secondo giro di stelle Pop III poi "impone un forte feedback radiativo e SN prima che gli SNR iniziali di Pop III raggiungano il centro dell'alone", scrivono gli autori.
Le stelle Pop III riscaldano il gas circostante con la loro potente radiazione UV, come mostrato nella figura sopra, inibendo la formazione stellare. Ma sono stelle enormi e non vivono molto a lungo. Una volta esplose, diffondono metalli nell’ambiente circostante, che possono raffreddare il gas e innescare una maggiore formazione stellare. "Dopo la sua breve vita di circa 2,0 Myr, la stella muore come PI SN, e il suo shock riscalda il gas ad alte temperature (> 105 K) ed espelle una grande massa di metalli che aumentano il raffreddamento e promuovono la transizione a Pop II SF ," spiegano gli autori.
È qui che le stelle Pop III hanno plasmato le prime galassie. Iniettando metalli nelle nubi di gas di formazione stellare, hanno raffreddato il gas. Il raffreddamento ha frammentato le nubi di gas di formazione stellare, rendendo la generazione successiva di stelle Pop II meno massiccia. "A causa dell'efficace raffreddamento del metallo, la scala di massa di queste stelle Pop II si è spostata verso un'estremità di massa bassa e si è formata in un ammasso, come mostrato nel pannello di destra della Figura 6."
Le stelle Pop III esistevano principalmente negli aloni di materia oscura. Tuttavia, la ricerca mostra come essi abbiano modellato le successive stelle Pop II, che popolarono le prime galassie. Una domanda che gli astronomi si sono posti per quanto riguarda le prime galassie è se fossero piene di stelle Pop II estremamente povere di metalli (EMP). Ma questa ricerca mostra il contrario. "Abbiamo così scoperto che le stelle EMP non erano tipiche della maggior parte delle galassie primitive", concludono gli autori.
Ulteriori informazioni: Ke-Jung Chen et al, Come le supernove della popolazione III hanno determinato le proprietà delle prime galassie, arXiv (2022). DOI:10.48550/arxiv.2211.06016
Fornito da Universe Today
