La métallicité stellaire est au cœur de ce travail. Lorsque l’univers a commencé, il était composé d’hydrogène primordial, d’hélium et seulement de traces de lithium et de béryllium. Si vous vérifiez votre tableau périodique, ce sont les quatre premiers éléments. Les éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium sont appelés « métaux » en astronomie, et la métallicité dans l'univers augmente avec le temps en raison de la nucléosynthèse stellaire.
Mais l’hydrogène dominait alors l’univers comme c’est le cas aujourd’hui. Ce n'est qu'une fois les premières étoiles formées puis explosées que d'autres éléments ont commencé à jouer un rôle.
"La naissance des étoiles primordiales (Pop III) à z ~ 20 ~ 25 a marqué la fin de l'âge des ténèbres cosmiques et le début de la première formation de galaxies et de trous noirs supermassifs (SMBH)," écrivent les auteurs du nouvel article. Mais leur rôle en tant que créateur de métaux astronomiques est au cœur de ces recherches.
Les chercheurs ont utilisé des simulations hydrodynamiques informatiques pour examiner comment les étoiles Pop III ont façonné les premières galaxies. Ils ont examiné les supernovae à effondrement du noyau (CCSNe), les supernovae à instabilité de paire (PISNe) et les hypernovae (HNe.)
Les étoiles ne peuvent se former qu’à partir de gaz froid et dense. Lorsque le gaz est trop chaud, il n’est tout simplement pas assez dense pour s’effondrer en noyaux protostellaires. Les chercheurs ont découvert que lorsque les étoiles Pop III explosaient sous forme de supernovae, elles produisaient des métaux et les diffusaient dans le gaz environnant. Les métaux ont rapidement refroidi le gaz de formation d’étoiles, entraînant une formation plus rapide d’un plus grand nombre d’étoiles. "Nos résultats indiquent que les SNR d'un IMF Pop III (fonction de masse initiale) très lourd produisent plus de métaux, conduisant à un refroidissement plus efficace des gaz et à une formation plus précoce d'étoiles Pop II dans les premières galaxies."
Les simulations ont montré que les restes de supernova (SNR) du Pop III SN tombent vers le centre des halos de matière noire dans lesquels ils résident. "Ces SNR Pop III et le gaz primordial sont entraînés par la gravité du halo vers son centre", les auteurs expliquer. Ces SNR entrent parfois en collision et produisent des écoulements turbulents. La turbulence mélange le gaz et les métaux du SN et "crée des structures filamenteuses qui se forment rapidement en amas denses en raison de l'autogravité et du refroidissement des métaux du gaz".
Cela conduit à davantage de formation d'étoiles, même si à ce stade, ce sont toujours des stars Pop III. Celles-ci ne sont pas enrichies par les supernovae Pop III antérieures et sont toujours constituées de gaz primordial. Certaines de ces dernières étoiles Pop III se forment avant que les premières n’atteignent le centre du halo. Cela crée une situation compliquée.
La deuxième série d'étoiles Pop III "impose alors une forte rétroaction radiative et SN avant que les SNR Pop III initiaux n'atteignent le centre du halo", écrivent les auteurs.
Les étoiles Pop III chauffent le gaz environnant avec leur puissant rayonnement UV, comme le montre la figure ci-dessus, inhibant ainsi la formation d'étoiles. Mais ce sont des étoiles massives et elles ne vivent pas très longtemps. Une fois qu’ils explosent, ils répandent des métaux dans leur environnement, ce qui peut refroidir le gaz et déclencher davantage de formation d’étoiles. "Après sa courte durée de vie d'environ 2,0 Myr, l'étoile meurt sous la forme d'un PI SN, et son choc chauffe le gaz à des températures élevées (> 105 K) et éjecte une grande masse de métaux qui améliorent le refroidissement et favorisent une transition vers Pop II SF. ", expliquent les auteurs.
C’est là que les étoiles Pop III ont façonné les premières galaxies. En injectant des métaux dans les nuages de gaz formant des étoiles, ils ont refroidi le gaz. Le refroidissement a fragmenté les nuages de gaz de formation d'étoiles, rendant la génération suivante d'étoiles Pop II moins massive. "En raison du refroidissement efficace du métal, l'échelle de masse de ces étoiles Pop II s'est déplacée vers une extrémité de faible masse et s'est formée en amas, comme le montre le panneau de droite de la figure 6."
Les étoiles Pop III existaient principalement dans des halos de matière noire. Cependant, la recherche montre comment elles ont façonné les étoiles Pop II qui ont peuplé les premières galaxies. L’une des questions auxquelles les astronomes se sont posés concernant les premières galaxies est de savoir si elles étaient remplies d’étoiles Pop II extrêmement pauvres en métaux (EMP). Mais cette recherche montre le contraire. "Nous constatons ainsi que les étoiles EMP n'étaient pas typiques de la plupart des galaxies primitives", concluent les auteurs.
Plus d'informations : Ke-Jung Chen et al, Comment les supernovae de la population III ont déterminé les propriétés des premières galaxies, arXiv (2022). DOI :10.48550/arxiv.2211.06016
Fourni par Universe Today
