Door gebruik te maken van geavanceerde driedimensionale modellen hebben sterrenkundigen ontdekt dat de eigenschappen van de allereerste sterrenstelsels in het heelal voor een groot deel werden bepaald door de massa van de allereerste sterren. Ke-Jung Chen (Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica) en zijn team hebben de zogeheten 'kosmische dageraad' bestudeerd, de periode tussen 200 en 400 miljoen jaar na de oerknal, toen de allereerste sterren ontstonden, de zogeheten populatie III sterren. Met de straling van die sterren kwam er langzaam maar zeker een einde aan de donkere eeuwen van het heelal, toen er helemaal geen bronnen van licht waren, een periode die 380.000 jaar na de oerknal begon. Het bekende ΛCDM model van het heelal veronderstelt het bestaan van koude donkere materie (CDM) en één van de theorieën op basis hiervan zegt dat er in het vroege heelal mini-halo's van donkere materie waren, die wel 1 miljoen zonsmassa zwaar waren. Als gevolg van die mini-halo's ontstonden de eerste sterren, die zeer zwaar waren en die na een kort maar heftig leven explodeerden als supernova. Maar met de eerste sterren heb je niet direct ook de eerste sterrenstelsels, dus de vraag van Chen en z'n groep was hoe die link tussen de eerste sterren en de eerste sterrenstelsels er precies uit ziet.
Belangrijk in het proces van de vorming van de eerste sterenstelsels is dat er een cyclus ontstaat van sterren die ontstaan, die na verloop van tijd evolueren en dat er daarna weer nieuwe sterren ontstaan, enzovoorts. Voor zo'n cyclus lijken de halo's van donkere materie een massa te moeten hebben van één miljard zonsmassa. Dán kan stervorming op gang worden gebracht zonder dat het reservoir van koud gas verloren gaat in het intergalactische medium. Naast de donkere materie speelt ook dat gas zelf een belangrijke rol. De interactie tussen de eerste sterren en het hun omringende gas (de zogeheten 'feedback' van die sterren) was een complexe, zowel op het gebied van chemie (de Populatie III sterren waren de eerste leveranciers van zware elementen) als van 'mechanika'. om dat allemaal goed in beeld te krijgen maakten Chen en zijn team zeer gedetailleerde driedimensionale stralings-hydrodynamische simulaties op computers. Dat liet zien dat de fysieke eigenschappen van de eerste sterrenstelsels worden bepaald door de massa van de eerste sterren. Supernova's van de zware eerste sterren produceren meer metalen, waardoor het oergas wordt beïnvloed door het af te koelen en de vorming van sterren met een lage massa mogelijk wordt. Hieronder zie je fragmenten van die simulaties.
Die eerste sterrenstelsels hadden niet zoals de melkweg nu spiraalarmen, maar waren onregelmatig van vorm. Vermoedelijk roteerden ze ook niet. Ns het eerste werk van de 'Pop III' sterren knden in de centrale regio's van de sterrenstelsels een paar honderd tot enkele duizenden tweede generatiesterren ontstaan, de Pop II sterren. Met telescopen zoals Webb willen ze die allereerste sterrenstelsels gaan bestuderen.
Meer over dit onderzoek kan je lezen in het vakartikel van Ke-Jung Chen et al, How Population III Supernovae Determined the Properties of the First Galaxies, The Astrophysical Journal (2024).
Bron: Phys.org.