Come MEGATRON simula le prime stelle e l’evoluzione di una galassia come la Via Lattea

Per capire come si siano accese le prime stelle, MEGATRON ricostruisce l’evoluzione di una regione cosmica che, nel tempo, darà origine a una galassia con la massa della Via Lattea. Il modello parte da gas privo di elementi più pesanti dell’elio e segue la formazione delle stelle di Popolazione III, le prime generazioni stellari. La sua particolarità è mettere insieme dinamica dei gas, chimica in evoluzione e radiazione: le stesse simulazioni possono così ricostruire la crescita dei precursori galattici e prevedere la luce che emettono. 86

Radiazione e chimica: una storia intrecciata

La radiazione stellare riscalda e ionizza il gas; molecole primordiali e metalli, prodotti dalle stelle, ne modificano il raffreddamento. Nel frattempo, il feedback stellare — comprese le supernove — disperde nello spazio gli elementi appena formati. Tenere conto di questi processi permette di simulare come cambiano le condizioni in cui nascono le stelle e come si arricchiscono le galassie.

Nei modelli, le galassie lontane risultano più dense e meno arricchite di metalli rispetto a galassie di massa simile nell’universo vicino, e sono esposte a campi di radiazione più intensi. Sono caratteristiche compatibili con alcune interpretazioni degli spettri osservati dal telescopio spaziale James Webb (JWST). Le simulazioni riproducono una varietà di spettri delle galassie lontane, ma una corrispondenza con i dati non basta, da sola, a stabilire quale processo di feedback l’abbia prodotta. 813

Il possibile indizio nelle galassie nane

Uno degli studi iniziali del progetto esamina il rapporto tra massa stellare e abbondanza di ferro nelle galassie nane. I risultati indicano che l’arricchimento dovuto alle prime stelle può generare un plateau: nelle galassie più piccole, la quantità media di ferro potrebbe restare simile, invece di diminuire costantemente al calare della massa. 7

Questa caratteristica potrebbe conservare una traccia delle prime supernove. È però una possibile interpretazione dei modelli, non una misurazione definitiva delle proprietà delle prime stelle o delle loro esplosioni. 7

Due modi per leggere il passato

MEGATRON offre un ponte tra osservazioni diverse. Da un lato, i suoi spettri simulati si possono confrontare con la luce delle galassie lontane osservate da JWST. Dall’altro, le abbondanze degli elementi previste dai modelli possono essere messe a confronto con quelle delle stelle antiche e povere di metalli nella Via Lattea e nei suoi dintorni. Il telescopio mostra galassie giovani a grande distanza; le stelle sopravvissute conservano invece indizi chimici delle generazioni che le hanno precedute. 87

Che cosa è stato fatto e che cosa resta da verificare

I primi lavori hanno prodotto una serie di simulazioni e studi sugli spettri delle galassie ad alto redshift, sul gas e sul feedback nelle galassie primordiali, sugli ambienti delle stelle di Popolazione III e sull’abbondanza di ferro nelle galassie nane. 81367

Le simulazioni a risoluzione più elevata, previste per le fasi successive, dovrebbero descrivere meglio il gas in cui si formano le prime stelle. Questo consentirà di mettere alla prova ipotesi diverse sulle loro masse, sulla radiazione che emettevano e sugli elementi prodotti dalle loro supernove, confrontandole sia con gli spettri di JWST sia con le abbondanze chimiche delle stelle antiche. Per ora, è un programma di verifica: i risultati non identificano ancora in modo definitivo come fossero le prime stelle. 81367