Résumé :
Le projet de recherche MEGATRON, dirigé par l'Université de Bath au Royaume-Uni, a publié un nouveau lot de résultats de simulation sur l'univers primitif. L'équipe de recherche a incorporé la formation des étoiles, le mouvement des gaz, le rayonnement de la lumière des étoiles et l'évolution des éléments chimiques dans le même ensemble de simulations cosmologiques, essayant de relier les premières galaxies observées par le télescope spatial James Webb (JWST) avec les « fossiles » chimiques laissés par les étoiles anciennes dans et autour de la Voie lactée. L’équipe a déclaré que si le rayonnement lumineux des étoiles et les processus chimiques complexes sont ignorés, le modèle pourrait sous-estimer l’impact des premières étoiles sur le gaz autour de la galaxie.
À partir d'un gaz primordial ne contenant presque aucun élément lourd, la simulation suit la formation des premières étoiles, le rayonnement qu'elles émettent, la dispersion de nouveaux éléments sous forme de supernovae et l'évolution ultérieure des étoiles et des galaxies. Les étoiles de première génération, souvent appelées étoiles de la population III, se sont formées au début de l'univers ; leur rayonnement modifierait le gaz environnant et leurs explosions mortelles projetteraient dans l'espace le fer, l'oxygène, le carbone et d'autres éléments formés à l'intérieur des étoiles, fournissant ainsi des matières premières aux étoiles et planètes suivantes. L’équipe a simulé une région qui finirait par devenir une galaxie de la taille de la Voie lactée et a permis au modèle de suivre l’interaction du gaz et de la lumière des étoiles dans la galaxie pendant des milliards d’années.
Le projet MEGATRON a publié un total de quatre études au cours de cette série, dont l'une a été publiée dans "Open Astrophysical Journal" et s'est concentrée sur l'étude de la manière dont la première génération d'étoiles façonne l'abondance de fer des plus petites galaxies naines. Des simulations de fluides de rayonnement à haute résolution montrent que dans les galaxies naines dont la masse stellaire ne dépasse pas environ 100 000 fois la masse solaire, une structure de « plate-forme » avec une abondance moyenne de fer d'environ trois millièmes de l'abondance de fer solaire peut se former, c'est-à-dire que la notation astronomique [Fe/H] est d'environ -2,5. Le modèle relie cette caractéristique aux supernovae à instabilité de paire (PISN) des étoiles de la population III : les éléments générés et rejetés après l'explosion de l'étoile primordiale sont retenus par le gaz de la galaxie naine environnante et deviennent des composants des étoiles suivantes.
La simulation souligne également que le fort rayonnement de fond Lyman-Werner produit par la galaxie primitive affectera l'environnement dans lequel les supernovae instables se produisent, les faisant apparaître dans un halo de matière noire d'une masse d'environ 10 millions de fois celle du soleil ; dans ce puits de potentiel gravitationnel plus profond, des éléments tels que le fer rejeté par l'explosion ont plus de chances d'être retenus. Les recherches prédisent qu’environ un cinquième des galaxies naines pourraient entrer dans la catégorie des galaxies extrêmement pauvres en fer, avec une moyenne [Fe/H] ne dépassant pas -3. L'article indique que, quelles que soient les hypothèses du modèle qui modifient de manière significative le processus de rétroaction des étoiles de la population II, le plateau d'abondance du fer et la queue à faible teneur en fer existent toujours ; dans les simulations, ces caractéristiques peuvent également être conservées dans les galaxies naines satellites en orbite autour des grandes galaxies actuelles. Il s’agit de prédictions de simulation qui doivent encore être comparées davantage aux observations JWST et aux mesures chimiques d’étoiles anciennes de la Voie Lactée.
Le projet est réalisé par l'Université de Bath en coopération avec l'Université de Chicago aux États-Unis, l'Institut d'Astrophysique de Paris, en France et d'autres institutions. Il débutera en 2023 et devrait se poursuivre jusqu'en 2030. L'équipe a obtenu 40 millions d'heures de processeur de ressources informatiques de suivi auprès du supercalculateur national britannique pour exécuter des simulations de nouvelle génération avec une résolution plus élevée et davantage de processus physiques ; cette ressource informatique est destinée aux plans de recherche futurs et ne correspond pas aux heures de calcul utilisées pour cette série de simulations terminées. Les chercheurs espèrent utiliser les données de suivi pour tester plus directement différents modèles de formation de la première génération d'étoiles et clarifier comment ils ont illuminé l'univers primitif, modifié l'environnement chimique et finalement laissé des traces d'éléments qui peuvent encore être observés aujourd'hui.
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