En utilisant des simulations hydrodynamiques de rayonnement tridimensionnelles à haute résolution et un modèle physique détaillé de supernova exécuté sur des superordinateurs, une équipe de recherche dirigée par le Dr Ke-Jung Chen de l’Institut d’astronomie et d’astrophysique de l’Academia Sinica (ASIAA) a révélé que les propriétés physiques des premières galaxies sont déterminées de manière critique par la masse des premières étoiles. Leur étude est publié dans Le journal d’astrophysique.
On estime que l’aube cosmique a commencé environ 200 à 400 millions d’années après le Big Bang, marquant la fin de l’âge des ténèbres cosmiques avec l’illumination des premières étoiles (étoiles Pop III) et des galaxies. Basé sur la cosmologie moderne, l’assemblage hiérarchique des halos de matière noire (DM) fournit des puits gravitationnels qui facilitent la formation de gaz primordiaux, donnant lieu à la naissance des premières étoiles au sein de mini halos DM d’une masse d’environ 1 million de masses solaires.
Suite à l’émergence des premières étoiles, l’injection de rayonnement, de métaux et de masse provenant de ces étoiles et de leurs supernovae déclenche un processus de transformation, faisant évoluer le simple univers primitif vers un état de complexité croissante. L’aube cosmique symbolise la deuxième transition de phase après le Big Bang. Pourtant, la transition cruciale entre les premières étoiles individuelles et la formation des premières galaxies reste une énigme centrale de l’astrophysique moderne.
Lorsque les halos DM atteignent des masses d’environ 1 milliard de masses solaires grâce à l’assemblage hiérarchique de la formation des structures, ils deviennent suffisamment massifs pour supporter des cycles successifs de naissance et d’explosion d’étoiles. Cela marque l’émergence des premières galaxies, car elles peuvent maintenir la formation d’étoiles sans perdre tout leur carburant au profit du milieu intergalactique.
La formation de ces premières galaxies n’est pas seulement influencée par l’évolution du DM mais aussi par la redoutable physique des gaz. Les réactions chimiques, radiatives et mécaniques complexes des premières étoiles et de leurs supernovae ont joué un rôle crucial dans la formation des populations stellaires des premières galaxies.
Pour résoudre ce problème important, le Dr Ke-Jung Chen a dirigé le groupe sur les explosions en utilisant de puissants superordinateurs pour effectuer des simulations hydrodynamiques de rayonnement 3D à haute résolution, intégrant la physique détaillée des supernovas pour modéliser la formation des premières galaxies.
Leurs résultats révèlent que les propriétés physiques des premières galaxies sont déterminées par la masse des premières étoiles. Les supernovae des premières étoiles massives produisent plus de métaux, influençant le gaz primordial en le refroidissant et permettant la formation d’étoiles de faible masse.
Contrairement à la grande structure spirale de notre Voie Lactée, ces premières galaxies présentent des formes irrégulières sans support rotationnel. Au sein de leurs régions centrales, quelques centaines à quelques milliers d’étoiles de deuxième génération (étoiles Pop II) peuvent se former. La métallicité du gaz dans les premières galaxies s’est enrichie jusqu’à environ 0,01 métallicité solaire.
Les simulations suggèrent également que les premières étoiles n’étaient pas un composant prédominant de la plupart des premières galaxies, car le gaz présent dans les halos massifs était généralement pollué par les métaux d’autres supernovae Pop III lors de l’assemblage hiérarchique avant de s’effondrer en étoiles vierges.
Ces premières galaxies sont considérées comme le point de repère de l’aube cosmique, et leur détection directe dans l’univers constitue un objectif important pour le télescope spatial James Webb (JWST) et les prochains télescopes au sol de 30 mètres. Cette découverte constitue un pont entre la disparition des premières étoiles et l’émergence des premières galaxies, offrant ainsi des informations précieuses sur la physique de l’aube cosmique.
Plus d’information:
Ke-Jung Chen et al, Comment les supernovae de la population III ont déterminé les propriétés des premières galaxies, Le journal d’astrophysique (2024). DOI : 10.3847/1538-4357/ad2684