Jak MEGATRON bada pierwsze gwiazdy i młodą Drogę Mleczną

MEGATRON to zestaw symulacji kosmologicznych, które odtwarzają rozwój obszaru mającego z czasem utworzyć galaktykę o masie podobnej do Drogi Mlecznej. Model zaczyna od gazu o zerowej zawartości metali — w astronomii tym mianem określa się pierwiastki cięższe od helu — i śledzi narodziny pierwszych gwiazd, nazywanych gwiazdami III populacji. Ich światło i wybuchy zmieniają otaczający gaz, z którego powstają kolejne gwiazdy i galaktyki. 86

W jednym modelu: gaz, chemia i promieniowanie

Symulacje łączą dynamikę gazu z rozbudowanymi obliczeniami chemicznymi oraz transportem promieniowania o różnych długościach fal. Model uwzględnia, jak promieniowanie ogrzewa i jonizuje gaz, jak cząsteczki obecne we wczesnym Wszechświecie wpływają na jego chłodzenie, a później — jak cięższe pierwiastki zmieniają ten proces. Z kolei gwiezdne sprzężenie zwrotne, w tym supernowe, rozrzuca materię wzbogaconą w pierwiastki po otoczeniu. 813

Wyniki wskazują, że gaz w odległych, wczesnych galaktykach jest gęstszy i mniej wzbogacony w metale niż w podobnych galaktykach współczesnego Wszechświata, a zarazem podlega silniejszym polom promieniowania. Takie warunki są zgodne z interpretacjami widm obserwowanych przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST). MEGATRON odtwarza różnorodność widm dawnych galaktyk, ale samo dopasowanie widma nie rozstrzyga, który konkretny proces sprzężenia zwrotnego je spowodował. 813

Żelazny trop w najmniejszych galaktykach

Jedno z badań projektu dotyczy relacji między masą gwiazdową galaktyk karłowatych a zawartością w nich żelaza. Symulacje wskazują, że wzbogacenie gazu przez pierwsze gwiazdy może prowadzić do plateau: w najmniejszych galaktykach średnia zawartość żelaza nie spada dalej w prosty sposób wraz ze zmniejszaniem się masy. W modelach jego wartość wynosi około [Fe/H] = −2,5 dla części galaktyk o masie gwiazdowej nieprzekraczającej 100 tysięcy mas Słońca. 41

To możliwy ślad chemiczny pozostawiony przez pierwsze supernowe, zachowany w małych galaktykach karłowatych. Nie jest jednak bezpośrednim pomiarem właściwości pierwszych gwiazd ani ostatecznym dowodem na konkretny scenariusz ich wybuchów. 74

JWST i stare gwiazdy pokazują różne części historii

Przewidywane widma MEGATRON można porównywać z obserwacjami odległych galaktyk, które JWST widzi takimi, jakie były we wczesnym Wszechświecie. Innym punktem odniesienia są stare, ubogie w metale gwiazdy w Drodze Mlecznej i jej okolicach. Ich skład chemiczny może przechowywać materiał odziedziczony po wcześniejszych pokoleniach gwiazd. Pierwsza metoda bada światło młodych galaktyk, druga — chemiczny zapis zachowany w gwiazdach, które przetrwały do dziś. 87

Co już zbadano, a co pozostaje do sprawdzenia?

Pierwsze prace MEGATRON obejmują przewidywanie widm galaktyk z dużym przesunięciem ku czerwieni, właściwości gazu i sprzężenia zwrotnego we wczesnych galaktykach, środowiska gwiazd III populacji oraz zawartość żelaza w galaktykach karłowatych. 81367

Kolejnym krokiem mają być symulacje o wyższej rozdzielczości. Powinny dokładniej odwzorować gaz, w którym powstawały pierwsze gwiazdy, i pozwolić sprawdzić konkurencyjne założenia dotyczące ich mas, promieniowania oraz ilości pierwiastków wyrzucanych przez supernowe. Modele będzie można testować zarówno na widmach JWST, jak i na składzie chemicznym starych gwiazd. To plan na rozstrzygnięcie otwartych pytań, a nie gotowa odpowiedź na to, jakie dokładnie były pierwsze gwiazdy. 81367