Simulări noi leagă primele stele de amprentele cosmice vizibile și astăzi
Cercetătorii au folosit unele dintre cele mai detaliate simulări ale universului timpuriu pentru a investiga formarea primelor stele și galaxii. Proiectul MEGATRON, condus de cercetători de la Universitatea Bath din Regatul Unit, împreună cu colaboratori de la Universitatea Chicago și Institut d’Astrophysique de Paris, explorează modul în care primele stele au luminat cosmosul întunecat și l-au îmbogățit cu elementele chimice devenite ulterior blocuri de construcție pentru tot ce ne înconjoară.
Patru studii publicate în Open Journal of Astrophysics combină simulări cosmologice avansate cu modele sofisticate de radiație, chimie și formare a galaxiilor. Acestea constituie primul corp substanțial de rezultate publicate ale colaborării, cu lucrări suplimentare în pregătire.
Rezultatele arată că surprinderea precisă a interacțiunii dintre lumina stelară, gaz și elementele nou făurite este esențială pentru a conecta două perspective separate asupra universului timpuriu: observațiile galaxiilor tinere realizate de Telescopul Spațial James Webb (JWST) și indiciile chimice păstrate în stelele antice din Calea Lactee și din jurul acesteia.
JWST oferă o vedere directă asupra galaxiilor din universul infantil, în timp ce stelele antice acționează ca o înregistrare fosilă a istoriei cosmice. Studiind amprentele chimice ale acestor stele, astronomii pot reconstrui proprietățile primelor stele și pot urmări modul în care acestea au îmbogățit cosmosul cu primele elemente chimice.
Simulările urmăresc evoluția unei galaxii tinere care va crește eventual într-un sistem similar ca masă cu Calea Lactee. Folosind modele computerizate care urmăresc simultan mișcarea gazului, propagarea luminii stelare și evoluția concentrațiilor chimice, echipa a investigat modul în care stelele modelează gazul din interiorul și din jurul galaxiilor de-a lungul a miliarde de ani.
Studiul sugerează că modelele simplificate pot subestima influența radiației stelare și a proceselor chimice complexe asupra gazului care înconjoară galaxiile. Prin modelarea acestor efecte la o rezoluție excepțional de înaltă, echipa a identificat structuri în gaz care nu sunt captate de modelele mai simple, îmbunătățind predicțiile pentru observațiile astronomice actuale și viitoare.
Dr. Martin Rey, de la Departamentul de Fizică al Universității Bath și unul dintre principalii contribuitori ai colaborării MEGATRON, a declarat: „Telescopul Spațial James Webb ne oferă o privire directă asupra cosmosului infantil, în timp ce arheologia stelară ne permite să studiem relicvele acelor timpuri timpurii chiar în vecinătatea noastră galactică. MEGATRON oferă o punte fizică între cele două.”
Simulările încep cu gaz pristine, care nu conține elemente grele, reflectând condițiile de la scurt timp după Big Bang. Apoi urmăresc nașterea primelor stele, radiația pe care o emit, exploziile de supernovă care marchează moartea lor și dispersarea elementelor nou făurite în generațiile ulterioare de stele și galaxii.
Înțelegerea acestui proces este centrală pentru una dintre cele mai fundamentale întrebări ale astronomiei: de unde provin elementele care alcătuiesc universul de astăzi. Rey a spus: „Elementele care fac posibilă lumea noastră și viața — carbonul, oxigenul, fierul și multe altele — au fost făurite de stele. Pentru a înțelege de unde provin aceste elemente, trebuie să înțelegem cum s-au format primele stele și cum și-au îmbogățit mediul înconjurător. MEGATRON ne permite să testăm aceste idei direct, comparând simulările detaliate cu observațiile JWST și cu amprentele chimice păstrate în stelele antice.”
Privind în perspectivă, echipa intenționează să folosească MEGATRON pentru a consolida legăturile dintre teorie și datele observaționale emergente. Pe măsură ce JWST continuă să transforme înțelegerea noastră despre cele mai timpurii galaxii, anchetele stelare la scară largă vor oferi informații tot mai detaliate despre stelele antice din Calea Lactee și din jurul acesteia.
Rey și colegii săi de la Bath dezvoltă deja următoarea generație de simulări. Proiectul a primit 40 de milioane de ore de procesor pe supercomputerele naționale ale Regatului Unit, echivalentul rulării a 5 milioane de laptopuri în paralel timp de un an. Aceste resurse vor permite simulări cu rezoluție mai înaltă și modele fizice mai complete, permițând comparații și mai directe cu observațiile JWST și cu înregistrarea fosilă chimică păstrată în stelele antice.
„MEGATRON oferă un cadru fizic comun pentru interpretarea a două dintre cele mai interesante seturi de date ale astronomiei: viziunea JWST asupra celor mai timpurii galaxii și înregistrarea fosilă stelară”, a spus Rey. „Împreună, aceste observații complementare ne permit să testăm modele concurente ale primelor stele în moduri care nu erau posibile anterior.”
Proiectul MEGATRON a început în 2023 și este programat să se desfășoare până în 2030.
