TEMPOS og FEAST kan endre modellene for unge galakser

Tidlige galakser blir ofte tolket med forenklede antakelser: at stjernevinder varierer jevnt med metallisitet, og at alle unge stjernehoper bruker omtrent like lang tid på å bryte ut av gass- og støvskyene de ble født i. TEMPOS- og FEAST-kartleggingene utfordrer begge antakelsene. Samlet peker de mot at stjernetilbakemelding avhenger sterkt av grunnstoffsammensetningen i massive stjerner og av massen til stjernehopene.

To undersøkelser av ulike ledd i samme kretsløp

TEMPOS – Treasury of Extremely Metal-Poor O Stars – bruker ultrafiolett spektroskopi fra Hubble til å lage et ensartet atlas over 29 massive O-stjerner i nærliggende galakser med metallisitet under omtrent en femtedel av Solens. Programmet kombinerer nye observasjoner med Hubbles Cosmic Origins Spectrograph av 12 svært metallfattige O-stjerner med arkivdata.

FEAST – Feedback in Emerging extrAgalactic Star clusTers – kombinerer infrarøde data fra James Webb-teleskopet, som kan se inn i støvete fødselsskyer, med Hubbles ultrafiolette og optiske observasjoner av eksponerte hoper. Kartleggingen av fire galakser omfatter nær 9 000 unge stjernehoper og følger overgangen fra innhyllet til optisk synlig fase. 115

TEMPOS handler om hvordan massive stjerner mister masse og former UV-spekteret sitt. FEAST handler om når nyfødte stjernehoper rydder bort gassen og støvet rundt seg. Begge prosessene påvirker hvordan stråling, bevegelsesmengde og etter hvert tyngre grunnstoffer beveger seg gjennom en ung galakse.

TEMPOS: Metallisitet alene beskriver ikke stjernevinder godt nok

TEMPOS-resultatene viser uventet svake vinder fra massive stjerner i svært metallfattige nærliggende dverggalakser, basert på 29 stjerner i seks systemer. Hovedpoenget er at den vanlige praksisen med å bruke en galakses samlede metallisitet – eller oksygeninnholdet i gassen – som en stedfortreder for vindstyrke, kan være utilstrekkelig ved de aller laveste mengdene av tunge grunnstoffer.

Strålingsdrevne vinder avhenger av metallioner som absorberer stjernenes stråling, og jern er særlig viktig i denne prosessen. Tidligere UV-arbeid med svært metallfattige galakser har funnet jerninnhold i stjernene under 10 prosent av Solens, samtidig som oksygenet i gassen kan gi et annet kjemisk bilde, blant annet med mer oksygen relativt til jern. To galakser med lignende oksygenmålinger kan dermed ha massive stjerner med ulike vindegenskaper.

TEMPOS-trenden bør derfor først og fremst forstås som en advarsel mot enkel ekstrapolering: Ved svært lave mengder tunge grunnstoffer kan vindene endre seg bråere enn det en jevn skalering med metallisitet skulle tilsi. Hvor sterk og universell en slik terskel er, krever mer modellering og sammenligning med større utvalg.

Hvorfor svake vinder har betydning

Svakere vind innebærer at en massiv stjerne mister mindre materiale og mindre rotasjonsmoment før den dør. Det kan endre modellberegninger av sluttmassen, overflatesammensetningen, levetiden, samspill med en mulig dobbeltstjernepartner og den relative sannsynligheten for ulike utfall ved kjerneskollaps eller dannelse av sorte hull. Dette er konsekvenser for modeller av stjerneutvikling – ikke direkte målinger av skjebnen til enkelt-supernovaer i TEMPOS.

Det har også betydning i galaksemodeller. Stjernevinder gir mekanisk tilbakemelding før de første supernovaene, mens UV-spekteret fra massive stjerner bestemmer ionisasjonsforholdene som skaper mange av tåkelinjene JWST observerer. En modell som bruker feil jerninnhold eller feil vindbeskrivelse, kan feilberegne stjernenes alder, masse, ioniserende spektrum og egenskaper ved stjernedannelsen.

FEAST: Massive hoper rydder fødselsskyene tidligere

FEAST finner at tiden stjernehoper bruker på å tre fram fra gass og støv, avhenger av massen. I Hubble–JWST-utvalget varer overgangen fra innhyllet til eksponert fase i snitt rundt 6 millioner år. Mer massive hoper, over omtrent 5 000 solmasser, kommer fram etter omtrent 5 millioner år, mot rundt 7 millioner år for hoper nær 1 000 solmasser; en bredere analyse beskriver sammenligningen for de mindre massive hopene som omtrent 7–8 millioner år. 5

Dette er en vesentlig justering av modeller som gir alle unge stjernehoper samme varighet på den innhyllede fasen. De mest massive hopene ser ut til å kunne fjerne eller spre materialet rundt seg tidligere, slik at stjernene blir synlige i ultrafiolett og optisk lys. NASAs oppsummering av studien av fire galakser rapporterer også at mer massive hoper kommer raskere ut av fødselsskyene sine. 1

Tidligere synlighet i UV betyr ikke automatisk mer produsert UV-lys

Skillet er viktig. Raskere opprydding av skyen betyr ikke nødvendigvis at hopens stjerner sender ut mer ultrafiolett lys ved kilden. Det betyr at det blir mindre gass og støv rundt dem som kan skjule, absorbere eller lokalt holde tilbake strålingen.

Tidspunktet da UV-strålingen når det omkringliggende interstellare mediet, kan dermed endres. Det kan påvirke tåkeutslipp, demping fra støv, geometrien til ionisert gass, kjemisk anrikning og – dersom det finnes kanaler med lav tetthet – andelen ioniserende fotoner som slipper ut av galaksen. FEAST ble uttrykkelig utformet for å begrense framkomsttider som funksjon av masse og miljø i modeller for tilbakemelding og stjernedannelse. 1615

Hva dette endrer i modeller av galakser i universets første milliard år

Den viktigste revisjonen er ikke at tidlige galakser får én ny standardinnstilling for tilbakemelding. Den er at to ingredienser som ofte har vært faste i modellene, bør variere.

1. Bruk vind- og spektrummodeller som er følsomme for jern

Modeller for stjernepopulasjoner og spektral energifordeling bør unngå å behandle oksygeninnhold alene som en universell indikator på vindene fra massive stjerner. Ved å ta hensyn til jerninnholdet i stjernene og variasjoner i forholdet mellom oksygen og jern, kan modellene gi bedre anslag for UV-kontinuum, vindtrekk i spekteret, ioniserende stråling og tåkelys-linjene som brukes til å utlede fysiske egenskaper fra JWST-spektra.

2. La klareringen av fødselsskyer avhenge av hopens masse

Galaksesimuleringer og modeller som tilpasser spektral energifordeling, kan erstatte én universell tidsskala for den innhyllede fasen med masseavhengige beskrivelser av når hopen blir synlig. FEAST-målingene gir en empirisk målestokk: rundt 6 millioner år i gjennomsnitt, med raskere klarering for de mest massive hopene i utvalget. 5

Det kan endre beregnet støvdemping, dekningsgrad for gass som lager tåkelinjer, tidspunktet for tilbakemelding og de tilsynelatende aldersestimatene for unge stjernepopulasjoner.

3. Skill mellom mekanisk tilbakemelding og når strålingen eksponeres

Det samlede bildet er mer nyansert enn «sterkere» eller «svakere» tilbakemelding. Svært metallfattige massive stjerner kan tilføre mindre mekanisk energi gjennom vinder enn modellene antar, mens de mest massive stjernehopene likevel kan eksponere strålingen sin tidligere ved å rydde lokalt materiale raskere. Begge virkninger kan forme hvor UV-lyssterk en ung galakse ser ut, og hvor effektivt strålingen samspiller med gassen rundt.

En kalibrering for JWST – ikke direkte observasjoner av de første galaksene

Begge programmene studerer nærliggende systemer. TEMPOS undersøker lokale analoger med lav metallisitet, mens FEAST studerer hoper i fire nærliggende galakser. 15 De er derfor ikke direkte observasjoner av stjerner eller stjernehoper fra universets første milliard år.

Verdien ligger i at de forankrer deler av modellene for tidlige galakser som ofte har vært basert på ekstrapolering. TEMPOS gir et sårt tiltrengt UV-referanseutvalg for massive stjerner ved lav metallisitet, mens FEAST gir målte tider for skyopprydding på tvers av hopemasser. Brukt med varsomhet – og testet mot JWST-spektre ved høy rødforskyvning – kan disse kalibreringene gi mer fysisk funderte anslag for stjernepopulasjoner, støv, tilbakemelding og ioniserende stråling.