Skryté malé hvězdy mění odhad hmotnosti raných galaxií

Galaxie mají „spodně těžkou“ populaci hvězd

Počáteční hmotnostní funkce, zkráceně IMF, popisuje, kolik hvězd vzniká v různých hmotnostních kategoriích. „Spodně těžká“ IMF znamená, že se při vzniku vytvoří větší podíl hvězd s nízkou hmotností než v populaci podobné té v Mléčné dráze.

Právě tento vzorec vědci nalezli u všech devíti masivních, klidných galaxií. Nízkohmotné hvězdy jsou velmi slabé, a proto mohou v běžných pozorováních snadno zůstat skryté. Zároveň žijí velmi dlouho a jejich celková hmotnost se postupně sčítá. Pokud astronomové při odhadu hmotnosti vzdálené galaxie použijí IMF podobnou té z Mléčné dráhy, přestože skutečná populace je „spodně těžká“, mohou celkovou hmotnost jejích hvězd výrazně podhodnotit.

Dvě nejstarší galaxie jsou až čtyřikrát hmotnější

Nejvýraznější dopad se týká dvou nejstarších objektů ve vzorku. Ty jsou považovány za přímé potomky neobvykle raných, již vyspělých galaxií, které odhalil JWST. Po započtení změřené spodně těžké IMF vzrostl odhad jejich hvězdné hmotnosti troj- až čtyřnásobně.

Nejde tedy o drobnou opravu v desetinném místě. Mění se tím množství hmoty, které musely modely vzniku galaxií sestavit během velmi krátké části kosmické historie. Jedna z těchto starých populací pravděpodobně vznikla méně než 1,5 miliardy let po velkém třesku. Její předchůdce proto musel vytvořit ještě více hvězd — a ještě rychleji — než naznačovaly předchozí odhady.

Proč se problém raných galaxií ještě prohlubuje

JWST už dříve odhalil masivní a vyvinuté galaxie z překvapivě raných období vesmíru. Spektroskopicky potvrzená klidná galaxie GS-9209 se například nachází při rudém posuvu 4,658, kdy byl vesmír starý přibližně 1,25 miliardy let. Její hvězdná hmotnost byla tehdy odhadnuta na zhruba 3,8 × 10^10 hmotností Slunce, podle předpokladů použitých v dané analýze.

Nový výsledek však přímo neměří hmotnostní funkci hvězd v galaxiích z prvních několika set milionů let po velkém třesku. Poskytuje důkaz z doby při rudém posuvu kolem 0,7, že někteří potomci velmi raných galaxií obsahují více nízkohmotných hvězd, než se čekalo. Přenesení tohoto závěru na nejvzdálenější galaxie pozorované JWST je proto inference, nikoli přímé měření jejich IMF.

Pokud se podobný způsob tvorby hvězd uplatňoval už při vzniku těchto starobylých galaxií, jejich skutečná hvězdná hmotnost mohla být podstatně vyšší než původní odhady. To zvyšuje nároky na modely vzniku galaxií: musí vysvětlit nejen to, jak se vyspělé galaxie objevily tak brzy, ale také jak v tak krátkém čase shromáždily ještě více hvězdné hmoty.

Mohlo vzniknout i více planet?

Hvězdy s nízkou hmotností žijí velmi dlouho a patří mezi potenciální hostitele planetárních soustav. Pokud byl spodně těžký způsob tvorby hvězd v mladém vesmíru běžný, mohlo tehdy vzniknout více takových dlouhověkých hvězd, než předpokládají odhady založené na Mléčné dráze. Tím by mohl vzrůst i teoretický počet planetárních systémů, které v raném vesmíru existovaly.

Tento závěr je však zatím spekulativní. Studie měřila vlastnosti hvězdných populací, nikoli počet planet ani četnost jejich výskytu. Ukazuje tedy pouze na možnost většího počtu nízkohmotných hvězd, které by mohly planety hostit — ne na to, jak často planety skutečně vznikaly nebo zda byly obyvatelné.

Další krok: ještě vzdálenější galaxie

Vědci nyní chtějí stejnou metodu použít u galaxií s postupně vyšším rudým posuvem. Kombinace velmi hlubokých spekter z širokého rozsahu vlnových délek jim umožní ověřit, zda nadbytek nízkohmotných hvězd přetrvává i blíže k éře prvních hvězd. Při dostatečně vysokém rudém posuvu se rysy citlivé na IMF posouvají do infračervené oblasti, kterou JWST dokáže pozorovat.

Nová měření mohou ukázat, zda je spodně těžká IMF typická jen pro masivní klidné galaxie zkoumané v této studii, zda šlo o širší rys rané tvorby hvězd, nebo zda se tento poměr v průběhu kosmického času měnil podle prostředí a podmínek v galaxiích.