Comprendre le premier univers est un objectif fondamental de la science de l'espace. Nous sommes poussés à comprendre la nature et comment il a évolué à partir d'un plasma super chauffé après le Big Bang au cosmos structuré que nous voyons autour de nous aujourd'hui. Un moment critique a été lorsque les premières étoiles, appelées population de 3 étoiles, ont enflammé de fusion et ont allumé leur environnement.
Quels événements ont précédé la toute première population 3 étoiles? Comment se sont-ils formés et quel type d'étoiles étaient-ils? Il existe des obstacles à la compréhension ou à l'observation du début de l'univers, bien que le JWST ait fait un travail admirable pour surmonter certaines de ces obstacles en observant la lumière des premières galaxies.
Mais observer les galaxies est une chose. L'observation de la formation d'étoiles individuelles il y a plus de 13 milliards d'années est fonctionnellement impossible. Heureusement, les simulations de superordinateurs peuvent nous rapprocher.
De nouvelles recherches ont utilisé le code de simulation Gizmo de pointe et les données du projet Illustristng pour reproduire les conditions où l'univers a formé ses premières étoiles.
La recherche est intitulée «Formation de turbulence supersonique dans le nuage primordial de formation d'étoiles», et il est publié dans Les lettres de journal astrrophysique. L'auteur principal est Ke-Jung Chen, de l'Institut de l'astronomie et de l'astrophysique à Academia Sinica, à Taïwan.
La période avant que les premières étoiles illuminent leur environnement s'appelle The Dark Ages. À cette époque, l'univers s'était suffisamment refroidi pour devenir transparent et permettre à la lumière de voyager. Mais il n'y avait toujours pas d'étoiles, donc pas de sources légères. Les âges sombres ont commencé environ 370 000 ans après le Big Bang et se sont terminés alors que les stars de la population III se sont formée quelques centaines de millions d'années plus tard.
Les scientifiques ont des questions sans réponse sur les âges sombres. L'un des plus grands mystères concerne la matière noire. Comment le premier mini-halos de la matière noire s'est-il effondré et a créé l'échafaudage sur lequel les premières étoiles se sont formées? Quelles étaient des conditions comme à l'intérieur des nuages de gaz primordiaux qui ont conduit à la formation des étoiles? Les chercheurs ont utilisé des simulations pour essayer de répondre à ces questions.
« Nous présentons de nouvelles simulations de la formation et de l'évolution du premier nuage de formation d'étoiles dans un minihalo massif de masse de 1,05 × 107 Masses solaires, réalisées à l'aide du code Gizmo avec une modélisation détaillée du refroidissement et de la chimie du gaz primordial « , écrivent les chercheurs.
« Contrairement aux études précédentes qui ont simulé la formation des premières étoiles dans une taille de boîte cosmologique plus petite de ∼0,3–2 MPC, notre travail adopte les conditions initiales des simulations cosmologiques à grande échelle, illustristng, s'étendant sur ∼50 MPC pour étudier la formation de nuages primordiaux qui donnent naissance aux premières étoiles. »
Illustristng est une simulation bien connue et souvent utilisée de l'univers. Les chercheurs ont pu stimuler la résolution de l'illustristng avec une technique appelée division des particules. Cela leur a permis de suivre le mouvement du gaz dans le nuage à une échelle sans précédent, jusqu'à une fraction d'un parsec.
« Nous augmentons la résolution originale de l'illustristng d'un facteur de ∼105 En utilisant une technique de séparation des particules, atteignant une résolution extrêmement élevée qui nous permet de résoudre les turbulences entraînées par un effondrement gravitationnel pendant la formation de structure précoce « , expliquent les auteurs.
La simulation commence par un mini-halo de la matière noire, et il montre que le gaz tombe dans le puits gravitationnel du mini-halo. Le gaz coule à des vitesses élevées et s'accumule près des points de convergence associés aux petites structures de matière noire. Finalement, un nuage dense se forme avec de minces structures gazeuses. À mesure qu'il tombait, le gaz s'est déplacé à cinq fois la vitesse du son, générant des turbulences supersoniques. Le gaz se dirige vers le centre et commence à tourner.
La turbulence à grande vitesse a divisé le nuage en plusieurs touffes denses de gaz primordial. Plutôt que de perturber le processus de formation des étoiles, la turbulence semble l'encourager. L'une des touffes est sur le point de former une étoile de masse solaire.
« Cette évolution démontre que l'accrétion du gaz est hautement anisotrope et inhomogène, entraînant des structures grognées, qui sont probablement façonnées par les forces de marée de l'assemblage du halo de matière noire », expliquent les auteurs.
« C'est la première fois que nous sommes en mesure de résoudre le développement complet des turbulences au cours des premières phases de la première formation d'étoiles », a déclaré l'auteur principal Chen dans un communiqué de presse. « Cela montre que des mouvements violents et chaotiques n'étaient pas seulement présents – ils étaient cruciaux pour façonner les premières étoiles. »
Les astronomes se sont interrogés sur les premières stars de la population III de l'univers. Certaines recherches montrent qu'ils se sont formés comme des étoiles massives solitaires dans un processus fluide. Cependant, ces simulations montrent que les nuages ont été fracturés en touffes et que les étoiles pop III étaient à la fois plus nombreuses et moins massives que la pensée.
Ces résultats pourraient expliquer quelque chose qui a intrigué les scientifiques. Si les étoiles Pop III étaient aussi massives qu'on le pensait, beaucoup d'entre elles auraient dû exploser comme des supernovae, laissant des empreintes digitales chimiques de métallicité dans la prochaine génération d'étoiles, les étoiles les plus anciennes que nous pouvons observer.
Mais alors que les chercheurs ont trouvé des indices de cette métallicité enrichie, ils n'ont jamais trouvé de preuves concluantes. Si ces simulations sont correctes, nous ne voyons pas ces empreintes digitales chimiques parce que les premières étoiles n'étaient pas aussi massives que la pensée et explosaient rarement que les supernovae.
« Nos résultats suggèrent que la formation de structure précoce peut naturellement générer une turbulence supersonique, qui joue un rôle crucial dans la formation des nuages de gaz primordiaux et la régulation de l'échelle de masse des étoiles pop III », écrivent les auteurs dans leur conclusion.
Ces simulations haute résolution ouvrent une nouvelle fenêtre sur le premier univers. Si les stars de Pop III n'étaient pas aussi massives que la pensée, cela change notre compréhension du cours des événements. Les modèles théoriques montrent que les étoiles pop III ont des masses entre 80 et 260 masses solaires, et qu'elles mourraient sous forme de supernovae d'installarité par paire.
Mais ces types de SN laissent des signatures uniques qui n'ont pas été observées. Ces simulations suggèrent que la raison pour laquelle ces signatures n'existent pas est que nos théories sont fausses et nécessitent une mise à jour.
« Cette simulation représente un bond en avant dans la connexion de la formation de structure cosmique à grande échelle avec les processus microscopiques qui régissent la naissance étoile », a déclaré Chen.
« En découvrant le rôle de la turbulence, nous sommes à un pas de plus de comprendre comment l'aube cosmique a commencé. »
