To nye spor til galaksernes tidlige UV-lys

Tidlige galakser modelleres ofte med to praktiske forenklinger: Stjernevinde antages at aftage jævnt med galaksens metalindhold, og alle unge stjernehobe får omtrent samme tid til at bryde ud af deres fødselsskyer. Resultaterne fra TEMPOS og FEAST udfordrer begge antagelser. Samlet set peger de på, at feedback afhænger stærkt af grundstofsammensætningen i massive stjerner og af massen på de stjernehobe, hvor stjernerne dannes.

To undersøgelser af samme feedback-kredsløb

TEMPOS – Treasury of Extremely Metal-Poor O Stars – bruger Hubbles ultraviolet-spektroskopi til at opbygge et ensartet atlas over 29 massive O-stjerner i nærliggende galakser med metalindhold under cirka en femtedel af Solens. Programmet bidrager med nye observationer fra Hubbles Cosmic Origins Spectrograph af 12 meget metalfattige O-stjerner, suppleret med arkivdata.

FEAST – Feedback in Emerging extrAgalactic Star clusTers – kombinerer infrarøde data fra James Webb-rumteleskopet, som kan se ind i støvede fødselsskyer, med Hubbles UV- og optiske observationer af blotlagte hobe. Optællingen i fire galakser omfatter knap 9.000 unge stjernehobe og følger deres overgang fra indlejret i gas og støv til optisk synlige. 115

TEMPOS undersøger, hvordan massive stjerner taber masse og former deres UV-spektrum. FEAST undersøger, hvornår nye stjernehobe får ryddet den omgivende gas og støv væk. Begge processer påvirker, hvordan stråling, bevægelsesmængde og senere tunge grundstoffer bevæger sig gennem en ung galakse.

TEMPOS: Metalindhold alene beskriver ikke stjernevindene

TEMPOS rapporterer uventet svage vinde hos massive stjerner i ekstremt metalfattige nærliggende dværggalakser. Resultatet bygger på 29 stjerner i seks systemer. Den centrale konsekvens er, at det ved de laveste forekomster af tunge grundstoffer kan være utilstrækkeligt at bruge en galakses samlede metalindhold – eller dens iltindhold i gassen – som stedfortræder for vindstyrken.

Strålingsdrevne stjernevinde afhænger af metalioner, som absorberer stjernelyset, og jern er særligt vigtigt i processen. Tidligere UV-arbejde om ekstremt metalfattige galakser har fundet jernindhold i stjernerne under 10 procent af Solens, mens iltmålinger i gassen kan tegne et andet kemisk billede, herunder relativt mere ilt i forhold til jern. To galakser med lignende iltmålinger kan altså godt rumme massive stjerner med forskellige vinde.

TEMPOS-resultatet bør derfor først og fremmest læses som en advarsel mod enkel ekstrapolation: Ved meget lavt indhold af tunge grundstoffer kan vindene ændre sig mere brat, end en glidende metalskala forudsiger. Hvor skarp en eventuel grænse er, og hvor universel den er, kræver mere modellering og sammenligninger med større datasæt.

Derfor betyder svagere vinde noget

En svagere vind betyder, at en massiv stjerne mister mindre materiale og mindre rotationsmoment, før den dør. Det kan ændre modellernes forudsigelser for stjernens slutmasse, overfladesammensætning, levetid, samspil med en binær ledsager og den relative sandsynlighed for forskellige udfald ved kernekollaps eller dannelse af sorte huller. Det er konsekvenser for beregninger af stjerneudvikling – ikke direkte målinger af de enkelte stjerners supernovaskæbne i TEMPOS.

Det er også relevant på galakseskala. Stjernevinde leverer mekanisk feedback, før de første supernovaer eksploderer, mens UV-spektret fra massive stjerner sætter betingelserne for mange af de tågelinjer, JWST måler. En model med forkert jernindhold eller en forkert vindopskrift kan derfor fejlbedømme stjernealdre, masser, ioniserende spektra og udledte egenskaber ved stjernedannelse.

FEAST: Massive stjernehobe slipper tidligere ud af fødselsskyen

FEAST finder, at tiden, det tager for stjernehobe at træde frem fra den gas og det støv, de blev dannet i, afhænger af hobens masse. I Hubble-Webb-prøven varer den samlede overgang fra indlejret til blottet i gennemsnit omkring 6 millioner år. Hobe med masser over cirka 5.000 solmasser kommer frem på omkring 5 millioner år, mod cirka 7 millioner år for hobe nær 1.000 solmasser; en bredere analyse angiver sammenligningen for de mindre hobe til omtrent 7–8 millioner år. 5

Det er en væsentlig ændring i forhold til modeller, der giver alle unge hobe samme varighed af den indlejrede fase. De mest massive hobe ser ud til at kunne fjerne eller sprede deres omgivende materiale tidligere, så stjernerne bliver synlige ved UV- og optiske bølgelængder. NASA's opsummering af studiet i de fire galakser når samme konklusion: Mere massive hobe træder hurtigere ud af deres fødselsskyer. 1

Tidligere synlighed i UV er ikke det samme som mere UV ved kilden

Skellet er vigtigt. Hurtigere rydning af skyen betyder ikke nødvendigvis, at stjernerne i en hob udsender mere ultraviolet lys fra starten. Det betyder, at der er mindre gas og støv tilbage til at skjule, absorbere eller holde strålingen lokalt indespærret.

Tidspunktet, hvor UV-strålingen når det omgivende interstellare medium, kan derfor ændre sig. Det kan påvirke tågeemission, støvdæmpning, geometrien af ioniseret gas, kemisk berigelse og – hvis der findes kanaler med lav tæthed – andelen af ioniserende fotoner, der slipper ud af galaksen. FEAST er netop designet til at begrænse tidsskalaen for fremkomst som funktion af masse og miljø i modeller for feedback og stjernedannelse. 1615

Hvad der bør ændres i modeller af galakser fra universets første milliard år

Hovedpointen er ikke, at tidlige galakser skal have én ny fast feedback-indstilling. Den er, at to størrelser, som ofte behandles som konstante, i stedet bør være variable.

1. Brug jernfølsomme modeller for stjernevinde og spektra

Modeller for stjernepopulationer og spektral energifordeling bør undgå at behandle iltindhold alene som en universel indikator for massive stjerners vinde. Inddragelse af stjernernes jernindhold og variationer i forholdet mellem ilt og jern kan forbedre forudsigelser af UV-kontinuum, vindtræk, ioniserende stråling og de tågelinjer, der bruges til at udlede fysiske egenskaber af JWST-spektre.

2. Lad rydning af fødselsskyer afhænge af hobens masse

Galaksesimuleringer og modeller, der tilpasser spektral energifordeling, kan erstatte én universel tidsskala for den indlejrede fase med masseafhængige beskrivelser. FEAST-målingerne giver en empirisk skala: Et gennemsnit på omkring 6 millioner år, med hurtigere rydning for de mest massive hobe i prøven. 5

Det kan ændre de forventede værdier for støvdæmpning, hvor stor en del af gassen der dækker de unge stjerner, timingen af feedback og de tilsyneladende aldre for unge stjernepopulationer.

3. Hold mekanisk feedback og strålingens synlighed adskilt

Det samlede billede er mere nuanceret end enten “stærkere” eller “svagere” feedback. Meget metalfattige massive stjerner kan tilføre mindre mekanisk energi via vinde, end modeller forventer. Samtidig kan de mest massive stjernehobe få deres stråling frem i lyset tidligere ved hurtigere at rydde det lokale materiale væk. Begge virkninger kan forme, hvor UV-lys en ung galakse ser ud til at være, og hvor effektivt dens stråling påvirker den omgivende gas.

En kalibrering til JWST – ikke et direkte kig på de første galakser

Begge undersøgelser omhandler nærliggende systemer. TEMPOS retter sig mod lokale analoger med lavt metalindhold, og FEAST undersøger hobe i fire nærliggende galakser. 15 De er dermed ikke direkte observationer af stjerner eller stjernehobe fra universets første milliard år.

Værdien ligger i, at de forankrer dele af modellerne for tidlige galakser, som ofte har bygget på ekstrapolation. TEMPOS leverer et længe efterspurgt UV-referencegrundlag for massive stjerner ved lavt metalindhold, mens FEAST leverer målte tider for rydning af fødselsskyer på tværs af hobmasser. Anvendes de forsigtigt – og testes mod JWST-spektre ved høje rødforskydninger – kan kalibreringerne gøre estimater af stjernepopulationer, støv, feedback og ioniserende stråling mere fysisk velfunderede.