Распределение металличности первых сверхновых через 10 миллионов лет после взрыва. Выброс сверхновой (оранжевая область) расширился до радиуса 1 кпк и обогатил окружающий газ до металличности от 10-4 до 10-2 солнечной металличности. Фоновые желтые полосы — это космическая структура темной материи. Фото: ASIAA/Ке-Юнг Чен
Используя трехмерное моделирование радиационной гидродинамики с высоким разрешением и подробную модель физики сверхновых, выполненную на суперкомпьютерах, исследовательская группа под руководством доктора Ке-Юнг Чена из Института астрономии и астрофизики Академии Синика (ASIAA) обнаружила, что физические свойства первых галактик критически определяются массами первых звезд. Их исследование опубликовано в The Astrophysical Journal.
Предполагается, что космический рассвет начался примерно через 200–400 миллионов лет после Большого взрыва, ознаменовав конец космических темных веков с освещением первых звезд (звезд Поп-III) и галактик. Согласно современной космологии, иерархическая сборка гало темной материи (ТМ) обеспечивает гравитационные ямы, которые способствуют образованию первичных газов, вызывая рождение первых звезд внутри мини-ореолов ТМ с массами около 1 миллиона солнечных масс.
После появления первых звезд выброс радиации, металлов и массы от этих звезд и их сверхновых запускает процесс трансформации, превращая простую раннюю Вселенную в состояние возрастающей сложности. Космический рассвет символизирует второй фазовый переход после Большого взрыва. Тем не менее, решающий переход от отдельных первых звезд к образованию первых галактик остается центральной загадкой современной астрофизики.
Когда гало ТМ достигают массы около 1 миллиарда солнечных масс в результате иерархической сборки структурообразования, они становятся достаточно массивными, чтобы поддерживать последовательные циклы рождения и взрыва звезд. Это знаменует собой появление первых галактик, поскольку они могут поддерживать звездообразование, не теряя всего топлива в межгалактическую среду.
На этой иллюстрации показано формирование первых галактик под влиянием обратной связи от первых звезд и сверхновых, которые сформировались в системах-прародителях минигало темной материи. Мини-гало не классифицируются как галактики из-за мощной обратной связи со звездами Pop III и SNe, которые рассеивают газ из мини-гало, предотвращая звездообразование внутри них. Фото: ASIAA/Ке-Юнг Чен
На формирование этих первых галактик влияет не только эволюция ТМ, но и сложная физика газа. Сложная химическая, радиационная и механическая обратная связь от первых звезд и их сверхновых сыграла решающую роль в формировании звездного населения в первых галактиках.
Решая эту серьезную проблему, доктор Ке-Юнг Чен возглавил группу взрывов, которая использовала мощные суперкомпьютеры для проведения трехмерного радиационно-гидродинамического моделирования с высоким разрешением, включая детальную физику сверхновых для моделирования формирования первых галактик.
Их результаты показывают, что физические свойства первых галактик определяются массами первых звезд. Сверхновые из первых массивных звезд производят больше металлов, влияя на первичный газ, охлаждая его и способствуя образованию звезд малой массы.
Синтетические наблюдательные изображения первых галактик, основанные на моделировании Чена и др. Эти галактики имеют неправильную форму, и каждая из них имеет множество ярких пятен, показывающих отдельные области звездообразования. Фото: ASIAA/Мэн-Юань Хо.
В отличие от грандиозной спиральной структуры нашего Млечного Пути, эти первые галактики имеют неправильную форму без поддержки вращения. В их центральных областях может образоваться от нескольких сотен до нескольких тысяч звезд второго поколения (звезд Поп II). Металличность газа в первых галактиках была обогащена примерно до 0,01 солнечной металличности.
Моделирование также предполагает, что первые звезды не были преобладающим компонентом большинства первых галактик, поскольку газ в массивных гало обычно загрязнялся металлами из других сверхновых Pop III во время иерархической сборки, прежде чем коллапсировать в первозданные звезды.
Эти первые галактики считаются вехой космического рассвета, и их прямое обнаружение во Вселенной является важной целью для космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) и будущих наземных телескопов 30-метрового класса. Это открытие обеспечивает мост между гибелью первых звезд и появлением первых галактик, предлагая ценную информацию о физике космического рассвета.
