Hoe MEGATRON de eerste sterren en de jonge Melkweg nabootst

De eerste sterren lieten geen foto’s achter. Wat astronomen wel kunnen onderzoeken, is het licht van verre jonge sterrenstelsels en de chemische samenstelling van oude sterren die tot op de dag van vandaag bestaan. Het MEGATRON-project verbindt die twee soorten aanwijzingen met simulaties van een gebied dat uiteindelijk een sterrenstelsel ter grootte van de Melkweg vormt. De modellen starten met gas zonder zware elementen en volgen de vorming van de eerste sterren, ook wel Populatie III genoemd. 86

Straling, gas en chemie in één model

MEGATRON rekent niet alleen uit hoe gas zich verplaatst en samenklontert. De simulaties volgen ook hoe straling het gas verhit en ioniseert, hoe moleculen en later gevormde elementen de afkoeling beïnvloeden, en hoe sterren hun omgeving veranderen. Wanneer sterren als supernova ontploffen, verspreiden ze nieuw gevormde elementen door het gas.

Door die processen samen te modelleren, kunnen onderzoekers voorspellen welk licht jonge sterrenstelsels uitzenden. De simulaties leveren uiteenlopende spectra op die met waarnemingen van de James Webb-ruimtetelescoop (JWST) kunnen worden vergeleken. De modellen vinden bovendien dat vroege sterrenstelsels dichter, minder verrijkt met zware elementen en blootgesteld aan sterkere stralingsvelden zijn dan vergelijkbare sterrenstelsels in het nabije heelal. Dat past bij interpretaties van JWST-waarnemingen. Een overeenkomst tussen model en waargenomen spectrum vertelt op zichzelf echter niet welke feedback of welk afzonderlijk proces daarvoor verantwoordelijk was. 5813

Een mogelijk ijzerspoor in kleine dwergstelsels

Een andere aanwijzing komt uit dwergstelsels: kleine sterrenstelsels die ook rond de Melkweg voorkomen. Een eerste MEGATRON-studie vindt dat de kleinste dwergstelsels een vergelijkbaar gemiddeld ijzergehalte kunnen hebben. In plaats van steeds minder ijzer naarmate een stelsel kleiner wordt, ontstaat in de simulaties een soort plateau. 47

Zo’n patroon kan passen bij verrijking door de eerste sterren en hun supernova’s. Het is daarmee een mogelijke chemische vingerafdruk van die vroege generatie — geen definitieve meting van hoe zwaar de eerste sterren waren of hoe hun supernova’s precies verliepen. 7

Van JWST-licht naar oude sterren

JWST ziet verre sterrenstelsels zoals ze er miljarden jaren geleden uitzagen. Oude, met weinig zware elementen verrijkte sterren in en rond de Melkweg bieden een andere blik: hun chemische samenstelling kan materiaal weerspiegelen dat al vroeg in de geschiedenis van het heelal is gevormd. MEGATRON kan voorspellingen over het licht van jonge sterrenstelsels naast JWST-waarnemingen leggen en voorspelde elementverhoudingen vergelijken met die oude sterren. Samen bieden die gegevens twee complementaire manieren om vroege stervorming te onderzoeken. 87

Wat de volgende simulaties moeten uitwijzen

De eerste onderzoeken met MEGATRON behandelen onder meer spectra van sterrenstelsels met een hoge roodverschuiving, gas en feedback in vroege sterrenstelsels, de omgevingen waarin Populatie III-sterren ontstaan en de ijzerverrijking van dwergstelsels. 81367

Berekeningen met een hogere resolutie moeten het gas waarin de eerste sterren ontstonden nauwkeuriger in beeld brengen. Zo kunnen onderzoekers verschillende aannames over de massa’s, straling en supernova-opbrengsten van die sterren toetsen aan zowel JWST-spectra als de chemische samenstelling van sterren. Dat is een volgende stap in het onderzoek; welke eigenschappen de eerste sterren precies hadden, staat nog niet vast. 81367