Miten ensimmäiset tähdet jättivät jälkensä Linnunradan pieniin kääpiögalakseihin?

Malli lähtee liikkeelle lähes alkuaineettomasta kaasusta

MEGATRON on kosmologisten simulaatioiden kokonaisuus, jossa seurataan aluetta, jonka arvioidaan kehittyvän Linnunradan massaiseksi galaksiksi. Laskenta alkaa kaasusta, jossa ei vielä ole raskaampia alkuaineita eli tähtitieteilijöiden termein metalleja. Mukana ovat ensimmäiset, niin sanotut Populaatio III -tähdet sekä niitä seuraavat tähtisukupolvet. 58

Mallien erityispiirre on, että ne laskevat yhdessä kaasun liikkeen, muuttuvan kemian ja säteilyn kulun. Näin voidaan tutkia, miten säteily kuumentaa ja ionisoi kaasua, miten molekyylit ja myöhemmin syntyvät alkuaineet vaikuttavat sen jäähtymiseen ja miten tähdet sekä supernovaräjähdykset muokkaavat ympäristöään. Simulaatioiden avulla voidaan ennustaa myös varhaisten galaksien spektriä eli niiden valon eri aallonpituuksien jakaumaa. 58

Varhaisgalaksit olivat tiheitä ja voimakkaan säteilyn ympäröimiä

MEGATRONin malleissa kaukaisen maailmankaikkeuden galakseissa kaasu on tiheämpää ja vähemmän rikastunutta raskailla alkuaineilla kuin vastaavan massaisissa nykygalakseissa. Myös säteilykentät ovat voimakkaampia. Tulokset sopivat yhteen joidenkin JWST-avaruusteleskoopin havaintojen tulkintojen kanssa. Simulaatiot pystyvät tuottamaan monenlaisia varhaisgalaksien spektrejä, mutta spektrin vastaavuus ei yksin kerro, mikä yksittäinen palauteprosessi sen aiheutti. 813

Tässä JWST ja Linnunradan lähialueen vanhat tähdet täydentävät toisiaan. Teleskooppi havaitsee kaukaisia galakseja sellaisina kuin ne olivat nuorina. Vanhat, vähämetalliset tähdet taas sisältävät tietoa kaasusta, josta ne aikoinaan syntyivät. Simulaatioiden ennusteita voidaan verrata sekä galaksien valoon että tähtien alkuainekoostumukseen. 87

Pienten kääpiögalaksien raudassa näkyy mahdollinen tasanne

Yhdessä MEGATRONin alkuvaiheen tutkimuksessa mallinnettu raskaiden alkuaineiden rikastuminen tuottaa kaikkein pienimpien kääpiögalaksien keskimääräiseen rautapitoisuuteen tasanteen: rautaa ei ole vähemmän vain siksi, että galaksi on pienempi. Tutkimuksessa tasanne liittyy galakseihin, joiden tähtimassa on enintään noin 100 000 Auringon massaa, ja keskimääräinen rautapitoisuus on noin −2,5 suhteessa Auringon pitoisuuteen. 134

Tulos tarjoaa mahdollisen vihjeen siitä, miten ensimmäisten tähtien supernovat rikastivat kaasua. Se ei kuitenkaan ole suora mittaus yksittäisen ensimmäisen tähden ominaisuuksista, vaan simulaatioiden esittämä selitys havaittavalle kemialliselle kuviolle. 47

Alkutulokset avaavat tietä tarkemmille testeille

MEGATRONin tähänastiseen työhön kuuluu simulaatioita ja tutkimuksia varhaisgalaksien spektreistä, kaasun ja tähtien vuorovaikutuksesta, Populaatio III -tähtien ympäristöistä sekä kääpiögalaksien rautapitoisuudesta. Seuraavissa, tarkemmissa laskuissa voidaan mallintaa paremmin niitä kaasupilviä, joissa ensimmäiset tähdet syntyivät. Näin eri oletuksia tähtien massoista, säteilystä ja supernovien tuottamista alkuaineista voidaan verrata sekä JWST:n havaintoihin että vanhojen tähtien kemiallisiin jälkiin. Kyse on tulevasta testistä, ei vielä lopullisesta vastauksesta siihen, millaisia ensimmäiset tähdet olivat. 81367