JWST entdeckt verborgene massearme Sterne – frühe Galaxien waren bis zu viermal schwerer

Astronominnen und Astronomen haben eine bislang schwer sichtbare Massekomponente in weit entfernten, bereits entwickelten Galaxien aufgespürt: schwache, massearme Sterne. Sie tragen nur wenig zum Licht einer Galaxie bei, können zusammen aber einen beträchtlichen Anteil ihrer Sternenmasse ausmachen.

Ein internationales Team unter Leitung der Universität Leiden untersuchte neun massereiche, quieszente Galaxien bei einer Rotverschiebung von ungefähr 0,7. „Quieszent“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Galaxien ihre aktive Sternentstehung weitgehend beendet hatten. In allen neun Objekten fanden die Forschenden einen Überschuss massearmer Sterne gegenüber der Verteilung, die aus der Milchstraße bekannt ist.

So wurden die verborgenen Sterne sichtbar

Für die Analyse kombinierten die Forschenden extrem tiefe Spektren des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST), aufgenommen mit dem Instrument NIRSpec, mit tiefen optischen Spektren des Very Large Telescope (VLT). Die zusätzlichen Daten stammen aus der LEGA-C-Durchmusterung, einer spektroskopischen Untersuchung von Galaxien bei Rotverschiebungen zwischen etwa 0,6 und 1,0.

Die Kombination verschiedener Wellenlängen war entscheidend: Merkmale im nahen Infrarot des Ruhesystems reagieren besonders empfindlich auf den Beitrag lichtschwacher Zwergsterne. Optische Spektren liefern dagegen wichtige Informationen über Alter, Metallgehalt und Elementhäufigkeiten der Sternpopulation.

So konnten die Forschenden die sogenannte stellare Anfangsmassenfunktion – also die Verteilung der Geburtsmassen von Sternen – direkt untersuchen, statt einfach die für die Milchstraße verwendete Verteilung vorauszusetzen.

Die Galaxien besitzen eine „bottom-heavy“ Anfangsmassenfunktion

Die Anfangsmassenfunktion beschreibt, wie viele Sterne mit unterschiedlichen Massen bei der Sternentstehung entstehen. Eine bottom-heavy oder „zum unteren Ende hin gewichtete“ Anfangsmassenfunktion enthält überproportional viele massearme Sterne im Vergleich zu einer Milchstraßen-ähnlichen Verteilung.

Genau dieses Muster fanden die Forschenden in allen neun massereichen, quieszenten Galaxien. Massearme Sterne sind sehr lichtschwach und bleiben in gewöhnlichen Beobachtungen daher leicht verborgen. Dafür leben sie extrem lange und addieren sich zu einer erheblichen Masse.

Wird die Masse einer fernen Galaxie mit einer Milchstraßen-ähnlichen Anfangsmassenfunktion berechnet, obwohl tatsächlich deutlich mehr massearme Sterne vorhanden sind, fällt die Schätzung ihrer gesamten Sternenmasse zu niedrig aus.

Für die beiden ältesten Galaxien vervierfacht sich die Schätzung beinahe

Besonders stark ist der Effekt bei den beiden ältesten Galaxien der Stichprobe. Sie gelten als direkte Nachfahren jener ungewöhnlich früh entstandenen, bereits entwickelten Galaxien, die das JWST beobachtet hat.

Berücksichtigen die Forschenden die gemessene bottom-heavy Anfangsmassenfunktion, steigt die abgeleitete Sternenmasse dieser beiden Objekte um den Faktor drei bis vier.

Das ist keine kleine Korrektur. Modelle der Galaxienentstehung müssen dadurch erklären, wie in einer kurzen Phase der kosmischen Geschichte noch mehr Materie zu Sternen werden konnte als bisher angenommen. Eine der alten Sternpopulationen entstand wahrscheinlich weniger als 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Ihre Vorläufergalaxie müsste demnach noch mehr Sternenmasse in noch kürzerer Zeit aufgebaut haben.

Warum das die JWST-Spannung verschärft

Das JWST hat bereits massereiche, entwickelte Galaxien aus einer überraschend frühen Epoche des Universums entdeckt. Ein Beispiel ist die quieszente Galaxie GS-9209. Sie wurde spektroskopisch bei einer Rotverschiebung von 4,658 bestätigt – zu einer Zeit, als das Universum erst etwa 1,25 Milliarden Jahre alt war. Ihre Sternenmasse wurde damals, abhängig von den verwendeten Annahmen, auf ungefähr 3,8 × 10^10 Sonnenmassen geschätzt.

Das neue Ergebnis misst die Anfangsmassenfunktion nicht direkt in den allerersten Galaxien wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall. Es liefert vielmehr bei einer Rotverschiebung von etwa 0,7 Hinweise darauf, dass einige Nachfahren sehr früher Galaxien mehr massearme Sterne enthalten als erwartet. Eine Übertragung auf die frühesten JWST-Galaxien ist deshalb eine Schlussfolgerung – keine direkte Messung ihrer Anfangsmassenfunktion.

Sollte dort bei der Entstehung ein ähnliches bottom-heavy Muster gegolten haben, wären die tatsächlichen Sternenmassen dieser uralten Galaxien deutlich größer als zunächst berechnet. Das verschärft die Herausforderung für Modelle der Galaxienbildung: Sie müssten nicht nur erklären, wie so früh bereits reife Galaxien entstehen konnten, sondern auch, wie diese noch mehr Sternenmasse aufbauten.

Könnten dadurch auch mehr Planeten entstanden sein?

Massearme Sterne leben sehr lange und kommen grundsätzlich als Wirte von Planetensystemen infrage. Wenn eine bottom-heavy Sternentstehung im jungen Universum verbreitet war, könnten dort mehr solcher langlebigen Sterne entstanden sein als unter der üblichen Annahme einer Milchstraßen-ähnlichen Anfangsmassenfunktion.

Damit könnte auch die theoretische Zahl früher Planetensysteme höher liegen. Diese Folgerung bleibt jedoch spekulativ: Die Studie untersuchte Sternpopulationen, nicht Planeten oder deren Entstehungsraten. Sie verändert die mögliche Zahl massearmer Sternenwirte, sagt aber nicht, wie häufig diese Sterne tatsächlich Planeten bildeten oder ob solche Planeten lebensfreundlich waren.

Der nächste Test führt zu noch früheren Galaxien

Als Nächstes wollen die Forschenden dieselbe Methode auf Galaxien bei immer höheren Rotverschiebungen anwenden. Extrem tiefe Spektren über einen breiten Wellenlängenbereich könnten zeigen, ob der Überschuss massearmer Sterne bis näher an die Epoche der ersten Sterne zurückreicht. Bei ausreichend großer Rotverschiebung verschieben sich die empfindlichen Spektralmerkmale in den Infrarotbereich, den das JWST beobachten kann.

So lässt sich prüfen, ob die bottom-heavy Anfangsmassenfunktion eine Besonderheit der bisher untersuchten massereichen, quieszenten Galaxien ist, ein allgemeineres Merkmal früher Sternentstehung darstellt oder sich im Lauf der kosmischen Zeit und abhängig von der Umgebung verändert.