Se prevé que el amanecer cósmico comenzó aproximadamente entre 200 y 400 millones de años después del Big Bang, marcando el final de las edades oscuras cósmicas con la iluminación de las primeras estrellas (estrellas Pop III) y galaxias. Basado en la cosmología moderna, el ensamblaje jerárquico de los halos de materia oscura (DM) proporciona pozos gravitacionales que facilitan la formación de gases primordiales, dando lugar al nacimiento de las primeras estrellas dentro de mini halos de DM con masas de alrededor de 1 millón de masas solares.

Tras la aparición de las primeras estrellas, la inyección de radiación, metales y masa de estas estrellas y sus supernovas desencadena un proceso transformador, que hace evolucionar el universo primitivo simple hacia un estado de complejidad creciente. El amanecer cósmico simboliza la transición de segunda fase después del Big Bang. Sin embargo, la transición crucial desde las primeras estrellas individuales hasta la formación de las primeras galaxias sigue siendo un enigma central en la astrofísica moderna.

Cuando los halos DM alcanzan masas de alrededor de mil millones de masas solares a través del ensamblaje jerárquico de formación de estructuras, se vuelven lo suficientemente masivos como para sostener ciclos sucesivos de nacimiento y explosión estelar. Esto marca el surgimiento de las primeras galaxias, ya que pueden mantener la formación estelar sin perder todo el combustible en el medio intergaláctico.

La formación de estas primeras galaxias no sólo está influenciada por la evolución de DM sino también por la difícil física de los gases. La compleja retroalimentación química, radiativa y mecánica de las primeras estrellas y sus supernovas jugó un papel crucial en la configuración de las poblaciones estelares de las primeras galaxias.

Para abordar este importante problema, el Dr. Ke-Jung Chen dirigió el grupo de explosión en la utilización de potentes supercomputadoras para realizar simulaciones de hidrodinámica de radiación en 3D de alta resolución, incorporando física detallada de supernovas para modelar la formación de las primeras galaxias.

Sus resultados revelan que las propiedades físicas de las primeras galaxias están determinadas por las masas de las primeras estrellas. Las supernovas de las primeras estrellas masivas producen más metales, lo que influye en el gas primordial enfriándolo y permitiendo la formación de estrellas de baja masa.

A diferencia de la gran estructura espiral de nuestra Vía Láctea, estas primeras galaxias presentan formas irregulares sin apoyo rotacional. Dentro de sus regiones centrales se pueden formar entre unos cientos y unos miles de estrellas de segunda generación (estrellas Pop II). La metalicidad del gas en las primeras galaxias se ha enriquecido hasta aproximadamente 0,01 metalicidad solar.

Las simulaciones también sugieren que las primeras estrellas no fueron un componente predominante de la mayoría de las primeras galaxias, ya que el gas en halos masivos generalmente estaba contaminado por metales de otras supernovas Pop III durante el ensamblaje jerárquico antes de colapsar en estrellas prístinas.

Estas primeras galaxias se consideran el hito del amanecer cósmico, y su detección directa en el universo es un objetivo importante para el Telescopio Espacial James Webb (JWST) y los próximos telescopios terrestres de 30 metros. Este hallazgo proporciona un puente entre la desaparición de las primeras estrellas y el surgimiento de las primeras galaxias, ofreciendo información valiosa sobre la física del amanecer cósmico.

Más información: Ke-Jung Chen et al, Cómo las supernovas de la población III determinaron las propiedades de las primeras galaxias, The Astrophysical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-4357/ad2684

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