Flere små stjerner gør tidlige galakser langt tungere end antaget

Et internationalt forskerhold med deltagelse fra Leiden Universitet har fundet tegn på, at massive galakser i det unge univers indeholder langt flere små stjerner end Mælkevejen. Det betyder, at galaksernes reelle stjernemasse kan være betydeligt større end hidtidige beregninger har vist.

Sådan undersøgte forskerne galakserne

Holdet kombinerede ultradybe spektre fra James Webb-rumteleskopets NIRSpec-instrument med dybe, optiske spektre fra Very Large Telescope (VLT) og LEGA-C-undersøgelsen. Kombinationen dækkede et bredt område af bølgelængder og gjorde det muligt at skelne mellem signaler fra svage dværgstjerner og signaler, der fortæller om galaksernes alder, metalindhold og grundstofsammensætning.

Forskerne undersøgte ni massive, såkaldt quiescente galakser med en rødforskydning på omkring 0,7. Det betyder, at galakserne allerede havde indstillet deres stjernedannelse, da universet var væsentligt yngre end i dag. De samlede stjernepopulationer kunne derfor analyseres med usædvanligt stor præcision.

Flere små stjerner end i Mælkevejen

I astronomi beskriver den initiale massefunktion (IMF), hvor mange stjerner der dannes med forskellige masser. Forskerne fandt, at alle ni galakser har en mere bundtung IMF end Mælkevejen: Der blev dannet relativt flere stjerner med lav masse.

Sådanne stjerner er meget lyssvage og bidrager derfor kun beskedent til en galakses samlede lys. Til gengæld kan de udgøre en stor del af dens stjernemasse. Hvis man beregner galaksernes masse ud fra en IMF, der ligner Mælkevejens, risikerer man derfor at undervurdere den samlede masse.

For de to ældste galakser – som forskerne identificerer som efterkommere af nogle af James Webbs usædvanligt tidlige, modne galakser – bliver den beregnede stjernemasse tre til fire gange større, når den målte IMF anvendes.

Et endnu større problem for teorier om det unge univers

James Webb har allerede fundet massive, udviklede galakser på meget tidlige tidspunkter i universets historie. Blandt dem er den spektroskopisk bekræftede, quiescente galakse GS-9209, der blev observeret omkring 1,25 milliarder år efter Big Bang.

Disse fund har i forvejen udfordret modellerne for galaksedannelse, fordi galakserne tilsyneladende opbyggede store mængder stjernemasse meget hurtigt. Hvis deres stjernemasser i virkeligheden er tre til fire gange større end tidligere antaget, bliver spændingen med modellerne større – ikke mindre.

Det er dog vigtigt at skelne mellem måling og fremskrivning: De robuste IMF-målinger i denne undersøgelse gælder galakser ved cirka z = 0,7. Koblingen til galakser, der blev observeret inden for omkring 500 millioner år efter Big Bang, er en fortolkning og en mulig udviklingslinje – ikke en direkte måling af IMF'en i galakser ved z over cirka 10.

Kan det også betyde flere planeter?

Hvis bundtung stjernedannelse var almindelig i det unge univers, kan det have betydet, at der blev dannet flere langlivede stjerner med lav masse end hidtil antaget. Den type stjerner betragtes som nogle af de vigtigste potentielle værter for planetsystemer.

Resultatet kan derfor pege på, at der blev dannet flere planetsystemer tidligt i universets historie. Undersøgelsen måler dog ikke direkte, hvor ofte planeter opstår, så konklusionen er foreløbig.

Næste skridt: endnu længere tilbage i tiden

Forskerne vil nu anvende den samme kombination af ultradybe spektre og et bredt bølgelængdeområde på galakser med stadig større rødforskydning. Målet er til sidst at undersøge galakser tættere på den tid, hvor de første stjerner blev dannet.

Efterhånden som man ser længere tilbage i tiden, bliver de IMF-følsomme signaler forskudt over i infrarøde bølgelængder, hvor James Webb kan observere dem. Det kan vise, om overskuddet af små stjerner også var et kendetegn ved de allerførste galakser.