Οι πρώτες γενιές άστρων δεν έδωσαν απλώς φως στο νεαρό Σύμπαν. Με τις εκρήξεις τους άρχισαν να εμπλουτίζουν το κοσμικό αέριο με τα στοιχεία από τα οποία θα σχηματίζονταν αργότερα πλανήτες και ζωή. Το πρόγραμμα MEGATRON επιχειρεί να ανασυνθέσει αυτή τη μετάβαση με προσομοιώσεις που παρακολουθούν ταυτόχρονα την κίνηση του αερίου, την ακτινοβολία, τη χημεία και την εξέλιξη των γαλαξιών.
Μια κοινή εικόνα για το κοσμικό ξημέρωμα
Η ερευνητική συνεργασία, με επικεφαλής το University of Bath και συμμετοχή του University of Chicago και του Institut d’Astrophysique de Paris, δημοσίευσε τέσσερις μελέτες στο Open Journal of Astrophysics. Οι προσομοιώσεις ξεκινούν από αέριο χωρίς βαριά στοιχεία, όπως αναμένεται για την εποχή λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, και ακολουθούν τη γέννηση των πρώτων άστρων, την ακτινοβολία τους, τις εκρήξεις supernova και τη διασπορά νέων στοιχείων.
Ο στόχος είναι να περιγραφεί η εξέλιξη ενός νεαρού γαλαξία που σταδιακά αποκτά μάζα συγκρίσιμη με εκείνη του Γαλαξία μας. Το μοντέλο δεν αντιμετωπίζει το αέριο, το φως και τα χημικά στοιχεία ως ανεξάρτητα κομμάτια: τα εξελίσσει μαζί, ώστε να αποτυπώνει τις αλληλεπιδράσεις τους σε βάθος δισεκατομμυρίων ετών.
Η γέφυρα ανάμεσα στο JWST και τα αρχαία άστρα
Οι αστρονόμοι διαθέτουν δύο συμπληρωματικά παράθυρα προς το πρώιμο Σύμπαν. Το James Webb Space Telescope παρατηρεί νεαρούς γαλαξίες όπως ήταν όταν το Σύμπαν βρισκόταν ακόμη στα πρώτα του στάδια. Παράλληλα, η «αστρική αρχαιολογία» μελετά τις χημικές υπογραφές πολύ παλιών άστρων στον Γαλαξία μας, οι οποίες διατηρούν ενδείξεις για τις προηγούμενες γενιές άστρων.
Το MEGATRON φιλοδοξεί να συνδέσει αυτά τα δύο είδη δεδομένων με ένα κοινό φυσικό πλαίσιο. Οι ερευνητές μπορούν έτσι να συγκρίνουν τις προβλέψεις των προσομοιώσεων με τις παρατηρήσεις του JWST και με το χημικό αποτύπωμα που έχει διασωθεί σε αρχαία άστρα.
Γιατί η λεπτομέρεια αλλάζει το αποτέλεσμα
Τα πρώτα αποτελέσματα δείχνουν ότι απλούστερα μοντέλα μπορεί να υποτιμούν την επίδραση της αστρικής ακτινοβολίας και των σύνθετων χημικών διεργασιών στο αέριο γύρω από τους γαλαξίες. Η προσομοίωση σε υψηλότερη ανάλυση αποκαλύπτει δομές και αλληλεπιδράσεις που χάνονται όταν η φυσική απλοποιείται υπερβολικά.
Αυτό δεν σημαίνει ότι η προσομοίωση αναπαριστά κάθε λεπτομέρεια του πραγματικού Σύμπαντος. Σημαίνει όμως ότι οι προβλέψεις μπορούν να γίνουν πιο χρήσιμες για την ερμηνεία των νέων παρατηρήσεων και για τη σύγκριση διαφορετικών σεναρίων σχετικά με τις πρώτες γενιές άστρων.
Από το υδρογόνο στον άνθρακα, το οξυγόνο και τον σίδηρο
Τα πρώτα άστρα σχηματίστηκαν από σχεδόν πρωτογενές αέριο. Στη διάρκεια της ζωής τους και στις εκρήξεις που ακολούθησαν, παρήγαγαν και διέσπειραν στοιχεία όπως ο άνθρακας, το οξυγόνο και ο σίδηρος. Αυτά τα στοιχεία πέρασαν σε επόμενες γενιές άστρων και, τελικά, αποτέλεσαν συστατικά πλανητών και βιολογικών συστημάτων.
Η αξία του MEGATRON βρίσκεται στο ότι επιτρέπει στους ερευνητές να εξετάσουν αυτή την αλυσίδα ως ενιαία διαδικασία: από τον σχηματισμό των πρώτων άστρων έως τον εμπλουτισμό του αερίου και τη δημιουργία μεταγενέστερων γαλαξιών. Η ομάδα έχει ήδη εξασφαλίσει 40 εκατομμύρια ώρες επεξεργασίας σε εθνικούς υπερυπολογιστές του Ηνωμένου Βασιλείου για προσομοιώσεις ακόμη υψηλότερης ανάλυσης.
Οι επόμενες εκδόσεις του μοντέλου θα συγκριθούν με τις νέες παρατηρήσεις του JWST και με μεγαλύτερες καταγραφές αρχαίων άστρων. Το πρόγραμμα ξεκίνησε το 2023 και έχει προγραμματιστεί να συνεχιστεί έως το 2030, με στόχο να περιορίσει τις αβεβαιότητες γύρω από το πώς το σκοτεινό, απλό Σύμπαν απέκτησε τη χημική πολυπλοκότητα που βλέπουμε σήμερα.
Πηγή: ScienceDaily, με υλικό από το University of Bath.