Riassunto:
Il progetto di ricerca MEGATRON, guidato dall'Università di Bath nel Regno Unito, ha pubblicato una nuova serie di risultati di simulazione sull'universo primordiale. Il gruppo di ricerca ha incorporato la formazione stellare, il movimento del gas, la radiazione della luce stellare e l’evoluzione degli elementi chimici nella stessa serie di simulazioni cosmologiche, cercando di collegare le prime galassie osservate dal James Webb Space Telescope (JWST) con i “fossili” chimici lasciati dalle antiche stelle dentro e intorno alla Via Lattea. Il team ha affermato che se si ignorassero la radiazione della luce stellare e i processi chimici complessi, il modello potrebbe sottostimare l’impatto delle prime stelle sul gas attorno alla galassia.
Partendo da un gas primordiale che non contiene quasi elementi pesanti, la simulazione traccia la formazione delle prime stelle, la radiazione che emettono, la dispersione di nuovi elementi come supernovae e la successiva evoluzione di stelle e galassie. Le stelle di prima generazione, spesso chiamate stelle di Popolazione III, si formarono nell'universo primordiale; la loro radiazione cambierebbe il gas circostante e le loro esplosioni mortali getterebbero nello spazio ferro, ossigeno, carbonio e altri elementi formati all'interno delle stelle, fornendo materie prime per le stelle e i pianeti successivi. Il team ha simulato una regione che alla fine si sarebbe sviluppata in una galassia delle dimensioni della Via Lattea e ha consentito al modello di tracciare l’interazione tra gas e luce stellare nella galassia per miliardi di anni.
In questo ciclo il progetto MEGATRON ha pubblicato un totale di quattro studi, uno dei quali è stato pubblicato sull'"Open Astrophysical Journal" e si concentrava sullo studio di come la prima generazione di stelle modella l'abbondanza di ferro delle più piccole galassie nane. Simulazioni di fluidi di radiazione ad alta risoluzione mostrano che nelle galassie nane con masse stellari non superiori a circa 100.000 volte la massa solare, può formarsi una struttura a "piattaforma" con un'abbondanza media di ferro di circa tre millesimi dell'abbondanza di ferro solare, cioè la notazione astronomica [Fe/H] è circa -2,5. Il modello collega questa caratteristica alle supernovae di instabilità di coppia (PISN) delle stelle di popolazione III: gli elementi generati ed espulsi dopo l'esplosione della stella primordiale vengono trattenuti dal gas della galassia nana circostante e diventano componenti delle stelle successive.
La simulazione sottolinea inoltre che la forte radiazione di fondo Lyman-Werner prodotta dalla galassia primitiva influenzerà l'ambiente in cui si verificano le supernovae instabili, facendole apparire in un alone di materia oscura con una massa pari a circa 10 milioni di volte quella del sole; in questo pozzo di potenziale gravitazionale più profondo, è più probabile che vengano trattenuti elementi come il ferro espulso dall'esplosione. La ricerca prevede che circa un quinto delle galassie nane potrebbero rientrare nella categoria estremamente povere di ferro, con un [Fe/H] medio non superiore a -3. L'articolo afferma che, indipendentemente dalle ipotesi del modello che modificano in modo significativo il processo di feedback delle stelle della Popolazione II, esistono ancora il plateau dell'abbondanza di ferro e la coda a basso contenuto di ferro; nelle simulazioni, queste caratteristiche possono essere mantenute anche nelle galassie nane satellitari che orbitano oggi attorno alle grandi galassie. Si tratta di previsioni di simulazione che necessitano ancora di essere ulteriormente confrontate con le osservazioni JWST e le misurazioni chimiche di antiche stelle nella Via Lattea.
Il progetto è portato avanti dall'Università di Bath in collaborazione con l'Università di Chicago negli Stati Uniti, l'Istituto di Astrofisica di Parigi, in Francia e altre istituzioni. Inizierà nel 2023 e si prevede che continuerà fino al 2030. Il team ha ottenuto 40 milioni di ore processore di risorse di calcolo di follow-up dal Supercomputer nazionale del Regno Unito per eseguire simulazioni di prossima generazione con una risoluzione più elevata e più processi fisici; questa risorsa di calcolo è per piani di ricerca futuri e non corrisponde alle ore di calcolo utilizzate per questo ciclo di simulazioni completate. I ricercatori sperano di utilizzare i dati di follow-up per testare più direttamente diversi modelli di formazione della prima generazione di stelle e per chiarire come hanno illuminato l’universo primordiale, cambiato l’ambiente chimico e, infine, lasciato tracce di elementi che possono ancora essere osservati oggi.
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