JWST finder skjulte små stjerner, der kan gøre tidlige galakser op til fire gange tungere

Astronomer har fundet en hidtil overset massekomponent i fjerne, modne galakser: svage lavmassestjerner, som næsten ikke påvirker galaksens lysstyrke, men som tilsammen kan udgøre en betydelig del af dens stjernemasse.\n\nI en undersøgelse af ni massive, hvilende galakser ved en rødforskydning på cirka 0,7 fandt et internationalt hold ledet fra Leiden et overskud af disse stjerner sammenlignet med den fordeling, man kender fra Mælkevejen. \n\n## Sådan fandt forskerne de skjulte stjerner\n\nHoldet kombinerede ekstremt dybe spektre fra James Webb-rumteleskopets NIRSpec-instrument med dybe, mere blå optiske spektre fra Very Large Telescope (VLT) og LEGA-C-undersøgelsen. LEGA-C er et stort spektroskopisk survey af galakser ved rødforskydninger omkring 0,6–1,0, herunder massive systemer, der kan sammenlignes med galakserne i den nye undersøgelse. \n\nDen brede dækning af bølgelængder er afgørende, fordi forskellige dele af en galakses spektrum afslører forskellige egenskaber. Nær-infrarøde træk i galaksernes hvilerammespektrum er følsomme over for bidraget fra svage dværgstjerner, mens optiske træk kan bruges til at bestemme galaksernes alder, metallicitet og grundstofsammensætning.\n\nVed at kombinere observationerne kunne forskerne estimere den såkaldte initiale massefunktion – altså fordelingen af stjerner efter deres fødselsmasse – i stedet for automatisk at antage, at den er identisk med Mælkevejens. \n\n## Galakserne har en bundtung massefunktion\n\nDen initiale massefunktion, ofte forkortet IMF, beskriver, hvor mange stjerner der dannes ved forskellige masser. En indeholder en større andel lavmassestjerner end den fordeling, der normalt bruges som Mælkevejens reference.\n\nForskerne fandt tegn på denne bundtunge fordeling i alle ni massive, hvilende galakser. Lavmassestjerner er svage og kan derfor i praksis være skjult i almindelige observationer. Til gengæld lever de meget længe og bidrager samlet med betydelig masse.\n\nHvis man beregner en fjern galakses masse ud fra en Mælkevejs-lignende IMF, selv om den reelle IMF er bundtung, vil man derfor undervurdere den samlede masse i stjerner. \n\n## De to ældste galakser bliver tre til fire gange tungere\n\nEffekten er særlig markant for undersøgelsens to ældste objekter. De regnes for direkte efterkommere af de usædvanligt tidligt modne galakser, som JWST har afsløret. Når forskerne anvender den målte bundtunge IMF, bliver deres beregnede stjernemasser tre til fire gange større. \n\nDet er ikke en lille justering. Det ændrer den mængde stof, som modeller for galaksedannelse skal samle på kort tid i Universets historie. En af de gamle stjernepopulationer blev sandsynligvis dannet mindre end 1,5 milliarder år efter Big Bang. Dens forløber må derfor have opbygget endnu mere stjernemasse – og gjort det endnu hurtigere – end tidligere beregninger viste. \n\n## Et endnu større problem for modellerne af det tidlige Univers\n\nJWST har allerede fundet massive, udviklede galakser på overraskende tidlige tidspunkter. Et eksempel er den hvilende galakse GS-9209, som er spektroskopisk bekræftet ved en rødforskydning på 4,658, da Universet var cirka 1,25 milliarder år gammelt. Dens beregnede stjernemasse var omkring 3,8 × 10^10 solmasser under de antagelser, der blev anvendt i analysen. \n\nDen nye IMF-måling undersøger ikke direkte galakser fra de første få hundrede millioner år efter Big Bang. Den giver i stedet evidens fra galakser ved en rødforskydning på cirka 0,7 for, at nogle efterkommere af meget tidlige galakser indeholder flere lavmassestjerner end forventet. En kobling til de allerførste JWST-galakser er derfor en slutning – ikke en direkte måling af deres IMF. \n\nHvis den samme bundtunge stjernedannelse var til stede, da de gamle galakser blev dannet, kan deres reelle stjernemasser have været væsentligt større end de første estimater. Det skærper udfordringen for modellerne: De skal ikke kun forklare, hvordan modne galakser kunne eksistere så tidligt, men også hvordan de nåede at opbygge endnu mere stjernemasse end hidtil antaget.\n\n## Flere små stjerner – og måske flere planeter?\n\nLavmassestjerner kan leve i meget lang tid og er potentielle værter for planetsystemer. Hvis bundtung stjernedannelse var almindelig i det unge Univers, kan der være dannet langt flere af disse langlivede stjerner end beregnet ud fra en Mælkevejs-lignende IMF. Det kan igen øge estimaterne for, hvor mange planetsystemer der kunne have eksisteret tidligt i den kosmiske historie. \n\nDen mulige konsekvens er dog spekulativ. Undersøgelsen måler stjernepopulationer – ikke planeter eller hyppigheden af planetsystemer. Resultatet ændrer det mulige antal lavmassestjerner, der kan være værter for planeter; det viser ikke, hvor ofte sådanne stjerner faktisk dannede planeter, eller om planeterne var beboelige.\n\n## Næste skridt: endnu længere tilbage i tiden\n\nForskerne vil nu anvende samme metode på galakser ved stadig højere rødforskydninger. Ved at kombinere meget dybe spektre over et bredt område af hvilerammebølgelængder kan de undersøge, om overskuddet af lavmassestjerner også findes tættere på den tid, hvor de første stjerner blev dannet.\n\nVed tilstrækkeligt høje rødforskydninger forskydes de træk, der er følsomme over for IMF’en, ind i infrarøde bølgelængder, som JWST kan observere. \n\nDe nye målinger kan dermed vise, om den bundtunge IMF er særligt kendetegnende for de massive, hvilende galakser, der hidtil er undersøgt, om den var et bredere træk ved den tidlige stjernedannelse, eller om den ændrede sig med Universets alder og galaksernes omgivelser.