Долгое время наше понимание первых галактик Вселенной во многом опиралось на теорию. Свет той эпохи достиг нас только после миллиардов лет путешествия, и по пути он был затемнен и растянулся в инфракрасную область. В этом беспорядочном свете скрыты подсказки о первых галактиках. Теперь, когда у нас есть космический телескоп Джеймса Уэбба и его мощные инфракрасные возможности, мы заглянули в прошлое дальше — и с большей ясностью, — чем когда-либо прежде.
JWST сфотографировал некоторые из самых первых галактик, что привело к потоку новых идей и сложных вопросов. Но он не может видеть отдельные звезды.
Как астрономы могут обнаружить их влияние на первые галактики Вселенной?
Звезды — мощные, динамичные объекты, обладающие огромной силой. Они могут соединять атомы в совершенно новые элементы — этот процесс называется нуклеосинтезом. Сверхновые особенно эффективны в этом, поскольку их мощные взрывы высвобождают водоворот энергии и материи и распространяют его обратно во Вселенную.
Сверхновые существуют с первых дней существования Вселенной. Первые звезды во Вселенной называются звездами населения III, и они были чрезвычайно массивными звездами. Массивные звезды взрываются как сверхновые, поэтому среди звезд Населения III должно было быть необычайно большое количество сверхновых.
Новое исследование изучает, как все эти сверхновые должны были повлиять на родительские галактики. Статья «Как сверхновые популяции III определили свойства первых галактик» принята к публикации Астрофизическим журналом. Ведущий автор — Ке-Юнг Чен из Института астрономии и астрофизики Академии Синика, Тайвань.
Звездная металличность лежит в основе этой работы. Когда Вселенная возникла, она состояла из первичного водорода, гелия и лишь следовых количеств лития и бериллия. Если вы проверите свою периодическую таблицу, это первые четыре элемента. Элементы тяжелее водорода и гелия в астрономии называются «металлами», а металличность во Вселенной со временем увеличивается за счет звездного нуклеосинтеза.
Но водород доминировал во Вселенной тогда, как и сейчас. Только после того, как первые звезды сформировались, а затем взорвались, другие элементы начали играть свою роль.
«Рождение первичных (Pop III) звезд на z ~ 20 ~ 25 ознаменовало конец космических темных веков и начало формирования первой галактики и сверхмассивной черной дыры (СМЧД)», — пишут авторы новой статьи. Но их роль как создателей астрономических металлов лежит в основе этого исследования.
Исследователи использовали компьютерное гидродинамическое моделирование, чтобы изучить, как звезды Поп III сформировали ранние галактики. Они изучали сверхновые с коллапсом ядра (CCSNe), сверхновые с парной нестабильностью (PISNe) и гиперновые (HNe).
Звезды могут образовываться только из холодного и плотного газа. Когда газ слишком горячий, он просто недостаточно плотный, чтобы схлопнуться в протозвездные ядра. Исследователи обнаружили, что когда звезды Поп-III взрывались как сверхновые, они производили металлы и распространяли их в окружающий газ. Металлы быстро охладили звездообразующий газ, что привело к более быстрому образованию большего количества звезд. «Наши результаты показывают, что SNR от сверхтяжелого IMF Pop III производят больше металлов, что приводит к более эффективному охлаждению газа и более раннему образованию звезд Pop II в первых галактиках».
Моделирование показало, что остатки сверхновых (SNR) сверхновой Pop III падают к центру ореолов темной материи, в которых они находятся. «Эти SNR Pop III и первичный газ притягиваются гравитацией гало к ее центру», — говорят авторы. объяснять. Эти SNR иногда сталкиваются и создают турбулентные потоки. Турбулентность смешивает газ и металлы из сверхновой и «создает нитевидные структуры, которые вскоре формируются в плотные комки из-за самогравитации и металлического охлаждения газа».
Это приводит к большему образованию звезд, хотя на данный момент они все еще являются звездами Поп-3. Они не обогащены более ранними сверхновыми Поп III и все еще состоят из первичного газа. Некоторые из этих более поздних звезд Поп-III формируются до того, как первоначальные достигают центра гало. Это создает сложную ситуацию.
Второй раунд звезд Поп III затем «вызывает сильную радиационную обратную связь и обратную связь со сверхновой прежде, чем первоначальные SNR Поп III достигнут центра гало», пишут авторы.
Звезды Pop III нагревают окружающий газ своим мощным УФ-излучением, как показано на рисунке выше, препятствуя звездообразованию. Но это массивные звезды и живут недолго. Взорвавшись, они распространяют металлы по окружающей среде, что может охладить газ и спровоцировать дальнейшее звездообразование. «После своего короткого времени жизни около 2,0 млн лет звезда умирает как PI SN, а ее ударная волна нагревает газ до высоких температур (>105 К) и выбрасывает большую массу металлов, которые усиливают охлаждение и способствуют переходу в Pop II SF. », — поясняют авторы.
Именно здесь звезды Поп-III сформировали самые ранние галактики. Впрыскивая металлы в облака звездообразующего газа, они охлаждали газ. Охлаждение фрагментировало облака звездообразующего газа, что сделало следующее поколение звезд Поп II менее массивным. «Из-за эффективного охлаждения металла шкала масс этих звезд Pop II сместилась в сторону низкой массы и сформировалась в скопление, как показано на правой панели рисунка 6».
Звезды Pop III существовали в основном в гало темной материи. Однако исследования показывают, как они сформировали последующие звезды Поп II, населявшие ранние галактики. Один из вопросов, с которым столкнулись астрономы в отношении первых галактик, заключался в том, были ли они заполнены чрезвычайно бедными металлами (ЭМИ) звездами Поп II. Но это исследование показывает обратное. «Таким образом, мы обнаруживаем, что звезды ЭМИ не были типичны для большинства примитивных галактик», — заключают авторы.
