Slik simulerer MEGATRON universets første stjerner

Hvordan så forløperne til Melkeveien ut da universet var ungt? MEGATRON-prosjektet prøver å finne svaret ved å følge et område av universet som etter hvert skal utvikle seg til en galakse på størrelse med Melkeveien. Simuleringene starter med gass uten metaller – i astronomi betyr det alle grunnstoffer tyngre enn helium – og følger dannelsen av de første stjernene. 86

Disse aller første stjernene kalles Population III-stjerner. De ble dannet av urstoff og laget tyngre grunnstoffer gjennom stjernenes liv og eksplosjoner. MEGATRON kobler sammen bevegelsene i gassen, kjemiske reaksjoner og stråling mens små galakseforløpere vokser. Slik kan forskerne beregne både hvordan galaksene kan ha sett ut, og hvilken kjemisk sammensetning stjernene deres kan etterlate. 8

Stråling, kjemi og supernovaer i samme modell

Stråling fra stjerner varmer opp og ioniserer gass. Molekyler fra det tidlige universet påvirker hvor effektivt gassen kjøles ned, mens grunnstoffer laget i stjerner endrer kjemien ytterligere. Når stjerner eksploderer som supernovaer, sprer de nye grunnstoffer ut i omgivelsene.

Simuleringene finner at gassen i tidlige galakser er tettere og mindre beriket med grunnstoffer enn i galakser med tilsvarende masse i det nærliggende universet. De tidlige galaksene har også sterkere strålingsfelt. Dette samsvarer med tolkninger av observasjoner fra James Webb-teleskopet (JWST). Modellene gjenskaper flere ulike typer spektra fra fjerne galakser, men at et spektrum passer, avgjør ikke alene hvilken fysisk prosess som skapte det. 813

Et mulig kjemisk spor i små dverggalakser

En av de første studiene undersøker jerninnholdet i små dverggalakser. Ifølge simuleringene kan jernmengden i de aller minste galaksene ligge på et omtrent jevnt nivå, i stedet for å synke jevnt med galaksenes masse. Et slikt «jernplatå» kan være et spor etter grunnstoffer fra de første stjernenes supernovaer. Det er en mulig forklaring fra modellene, ikke en endelig måling av hvordan de første stjernene var. 7

Her møtes to måter å studere den tidlige stjerneutviklingen på. JWST observerer lys fra fjerne galakser slik de var i det unge universet. Gamle, metallfattige stjerner i og rundt Melkeveien kan på sin side bevare kjemiske spor fra tidligere generasjoner. MEGATRON kan sammenligne begge typer observasjoner med beregningene sine. 87

Hva simuleringene kan undersøke videre

De første arbeidene fra prosjektet omfatter en simuleringsserie og studier av spektra fra fjerne galakser, gass og tilbakekobling i tidlige galakser, miljøene der Population III-stjerner dannes, og jerninnholdet i dverggalakser. 81367

Planlagte simuleringer med høyere oppløsning skal kunne beskrive gassen rundt de første stjernene mer detaljert. Det kan gjøre det mulig å teste ulike antakelser om stjernenes masser, stråling og supernovaer mot både JWST-data og grunnstoffene i gamle stjerner. Hvilken modell som best beskriver de første stjernene, er fortsatt et åpent spørsmål.