Enthüllung der Entstehung der ersten Galaxien

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Ke-Jung Chen vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica (ASIAA) hat mithilfe hochauflösender dreidimensionaler Simulationen der Strahlungshydrodynamik und eines detaillierten Supernova-Physikmodells, das auf Supercomputern ausgeführt wurde, die physikalischen Eigenschaften ermittelt der ersten Galaxien werden entscheidend durch die Massen der ersten Sterne bestimmt. Ihr Studium ist veröffentlicht In Das Astrophysikalische Journal.

Man geht davon aus, dass die kosmische Morgendämmerung etwa 200–400 Millionen Jahre nach dem Urknall begonnen hat und das Ende des kosmischen dunklen Zeitalters mit der Beleuchtung der ersten Sterne (Pop-III-Sterne) und Galaxien markiert. Basierend auf der modernen Kosmologie stellt die hierarchische Anordnung von Halos aus dunkler Materie (DM) Gravitationsquellen bereit, die die Bildung von Urgasen erleichtern und zur Geburt der ersten Sterne innerhalb von Mini-DM-Halos mit Massen von etwa 1 Million Sonnenmassen führen.

Nach der Entstehung der ersten Sterne löst die Injektion von Strahlung, Metallen und Masse dieser Sterne und ihrer Supernovae einen Transformationsprozess aus, der das einfache frühe Universum in einen Zustand zunehmender Komplexität weiterentwickelt. Die kosmische Morgendämmerung symbolisiert den zweiten Phasenübergang nach dem Urknall. Dennoch bleibt der entscheidende Übergang von einzelnen ersten Sternen zur Entstehung der ersten Galaxien ein zentrales Rätsel der modernen Astrophysik.

Wenn DM-Halos durch die hierarchische Anordnung der Strukturbildung Massen von etwa 1 Milliarde Sonnenmassen erreichen, werden sie massiv genug, um aufeinanderfolgende Zyklen der Sternentstehung und -explosion aufrechtzuerhalten. Dies markiert die Entstehung der ersten Galaxien, da sie die Sternentstehung aufrechterhalten können, ohne den gesamten Treibstoff an das intergalaktische Medium zu verlieren.

Die Entstehung dieser ersten Galaxien wird nicht nur durch die Entwicklung von DM beeinflusst, sondern auch durch die entmutigende Gasphysik. Komplexe chemische, Strahlungs- und mechanische Rückkopplungen der ersten Sterne und ihrer Supernovae spielten eine entscheidende Rolle bei der Bildung der Sternpopulationen in den ersten Galaxien.

Um dieses bedeutende Problem anzugehen, leitete Dr. Ke-Jung Chen die Explosionsgruppe, indem er leistungsstarke Supercomputer zur Durchführung hochauflösender 3D-Strahlungshydrodynamiksimulationen einsetzte und detaillierte Supernovaphysik einbezog, um die Entstehung der ersten Galaxien zu modellieren.

Ihre Ergebnisse zeigen, dass die physikalischen Eigenschaften der ersten Galaxien durch die Massen der ersten Sterne bestimmt werden. Supernovae von massereichen ersten Sternen produzieren mehr Metalle, beeinflussen das Urgas, indem sie es abkühlen und die Bildung massearmer Sterne ermöglichen.

Im Gegensatz zur großen Spiralstruktur unserer Milchstraße weisen diese ersten Galaxien unregelmäßige Formen ohne Rotationsunterstützung auf. In ihren zentralen Regionen können sich einige Hundert bis einige Tausend Sterne der zweiten Generation (Pop-II-Sterne) bilden. Die Metallizität des Gases in den ersten Galaxien wurde auf etwa das 0,01-fache der Sonnenmetallizität angereichert.

Die Simulationen deuten auch darauf hin, dass die ersten Sterne kein vorherrschender Bestandteil der meisten ersten Galaxien waren, da das Gas in massereichen Halos typischerweise durch Metalle aus anderen Pop-III-Supernovae während des hierarchischen Aufbaus verunreinigt wurde, bevor es in makellose Sterne kollabierte.

Diese ersten Galaxien gelten als Wahrzeichen der kosmischen Morgendämmerung und ihre direkte Entdeckung im Universum ist ein wichtiges Ziel für das James Webb Space Telescope (JWST) und zukünftige bodengestützte 30-Meter-Teleskope. Dieser Befund schlägt eine Brücke zwischen dem Untergang der ersten Sterne und der Entstehung der ersten Galaxien und bietet wertvolle Einblicke in die Physik der kosmischen Morgendämmerung.