Desvendando a formação das primeiras galáxias

Distribuição da metalicidade das primeiras supernovas 10 milhões de anos após a explosão. O material ejetado da supernova (região laranja) se expandiu para um raio de 1 kpc e enriqueceu o gás circundante a metalicidades de 10^-4 a 10^-2 metalicidade solar. As listras amarelas de fundo são a estrutura cósmica da matéria escura. Crédito:ASIAA/Ke-Jung Chen

Utilizando simulações de hidrodinâmica de radiação tridimensional de alta resolução e um modelo físico detalhado de supernova executado em supercomputadores, uma equipe de pesquisa liderada pelo Dr. Ke-Jung Chen do Instituto de Astronomia e Astrofísica da Academia Sinica (ASIAA) revelou que as propriedades físicas das primeiras galáxias são determinadas criticamente pelas massas das primeiras estrelas. O estudo deles foi publicado no The Astrophysical Journal .

Prevê-se que o amanhecer cósmico tenha começado aproximadamente 200-400 milhões de anos após o Big Bang, marcando o fim da idade das trevas cósmica com a iluminação das primeiras estrelas (estrelas Pop III) e galáxias. Com base na cosmologia moderna, a montagem hierárquica dos halos de matéria escura (DM) fornece poços gravitacionais que facilitam a formação de gases primordiais, dando origem ao nascimento das primeiras estrelas dentro de mini halos DM com massas de cerca de 1 milhão de massas solares.

Após o surgimento das primeiras estrelas, a injeção de radiação, metais e massa destas estrelas e das suas supernovas desencadeia um processo de transformação, evoluindo o simples universo inicial para um estado de complexidade crescente. O amanhecer cósmico simboliza a transição da segunda fase após o Big Bang. No entanto, a transição crucial das primeiras estrelas individuais para a formação das primeiras galáxias continua a ser um enigma central na astrofísica moderna.

Quando os halos DM atingem massas de cerca de 1 bilhão de massas solares através da montagem hierárquica de formação de estrutura, eles se tornam massivos o suficiente para sustentar ciclos sucessivos de nascimento e explosão estelar. Isto marca o surgimento das primeiras galáxias, pois conseguem manter a formação estelar sem perder todo o combustível para o meio intergaláctico.

Esta ilustração mostra a formação das primeiras galáxias, influenciada pelo feedback das primeiras estrelas e supernovas que se formaram nos sistemas progenitores de minihalos de matéria escura. Os mini halos não são classificados como galáxias devido ao potente feedback das estrelas Pop III e SNe, que dispersariam o gás dos mini halos, evitando a formação de estrelas dentro deles. Crédito:ASIAA/Ke-Jung Chen

A formação destas primeiras galáxias não é apenas influenciada pela evolução do DM, mas também pela assustadora física dos gases. O feedback químico, radiativo e mecânico complexo das primeiras estrelas e das suas supernovas desempenhou um papel crucial na formação das populações estelares nas primeiras galáxias.

Resolvendo este problema significativo, o Dr. Ke-Jung Chen liderou o grupo de explosão na utilização de supercomputadores poderosos para conduzir simulações de hidrodinâmica de radiação 3D de alta resolução, incorporando física detalhada de supernovas para modelar a formação das primeiras galáxias.

Os seus resultados revelam que as propriedades físicas das primeiras galáxias são determinadas pelas massas das primeiras estrelas. As supernovas das primeiras estrelas massivas produzem mais metais, influenciando o gás primordial, resfriando-o e permitindo a formação de estrelas de baixa massa.

Imagens observacionais sintéticas das primeiras galáxias baseadas nas simulações de Chen et al. Estas galáxias têm formas irregulares e cada uma delas tem múltiplos pontos brilhantes que mostram as regiões de formação estelar que se separam. Crédito:ASIAA/Meng-Yuan Ho

Em contraste com a grande estrutura espiral da nossa Via Láctea, estas primeiras galáxias exibem formas irregulares sem suporte rotacional. Nas suas regiões centrais, podem formar-se algumas centenas a alguns milhares de estrelas de segunda geração (estrelas Pop II). A metalicidade do gás nas primeiras galáxias foi enriquecida para cerca de 0,01 metalicidade solar.

As simulações também sugerem que as primeiras estrelas não eram um componente predominante da maioria das primeiras galáxias, já que o gás em halos massivos era tipicamente poluído por metais de outras supernovas Pop III durante a montagem hierárquica antes de colapsar em estrelas primitivas.

Estas primeiras galáxias são consideradas o marco do amanhecer cósmico, e a sua detecção direta no universo é um objetivo significativo para o Telescópio Espacial James Webb (JWST) e os próximos telescópios terrestres da classe de 30 metros. Esta descoberta fornece uma ponte entre o desaparecimento das primeiras estrelas e o surgimento das primeiras galáxias, oferecendo informações valiosas sobre a física do amanhecer cósmico.

Mais informações: Ke-Jung Chen et al, Como as supernovas da população III determinaram as propriedades das primeiras galáxias, The Astrophysical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-4357/ad2684
Fornecido pela ASIAA

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