Mehr Sterne als gedacht: Was neun frühe Galaxien über die Entstehung des Universums verraten

Ein genauerer Blick auf die Sterne

Wie viele Sterne mit welcher Masse in einer Galaxie entstehen, beschreibt die stellare Anfangsmassenfunktion (Initial Mass Function, IMF). Für viele Schätzungen wird dabei eine Verteilung verwendet, die derjenigen in der Milchstraße ähnelt. Ob diese Annahme auch für Galaxien im frühen Universum gilt, war bisher jedoch nur unzureichend bekannt.

Ein internationales Team unter Leitung der Universität Leiden hat deshalb neun massereiche Galaxien bei einer Rotverschiebung von etwa 0,7 untersucht, die ihre Sternbildung bereits eingestellt hatten. Die Studie liefert nach Angaben der Forschenden die ersten robusten Messungen der IMF außerhalb des lokalen Universums.

So wurde gemessen

Die Forschenden kombinierten extrem tiefe Spektren des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST), aufgenommen mit dem Nahinfrarot-Spektrografen NIRSpec, mit tieferen optischen Spektren des Very Large Telescope (VLT) aus der LEGA-C-Durchmusterung.

Diese Kombination deckt einen besonders großen Wellenlängenbereich ab. Im Infrarot lassen sich Absorptionsmerkmale erkennen, die von der sonst sehr schwachen Strahlung massearmer Zwergsterne geprägt werden. Die optischen Daten helfen zugleich dabei, Alter, Metallgehalt und Elementhäufigkeiten der Sternpopulationen zu bestimmen. So kann der Einfluss der IMF besser von anderen Eigenschaften der Galaxien getrennt werden.

Mehr kleine Sterne – und damit mehr Masse

Das Ergebnis ist eindeutig: Alle neun Galaxien enthalten relativ zur Milchstraße einen Überschuss an massearmen, lichtschwachen Sternen. Ihre IMF ist somit bottom-heavy, also zugunsten der Sterne am unteren Ende der Massenverteilung verschoben.

Diese Zwergsterne tragen nur wenig zum sichtbaren Licht einer Galaxie bei, können aber einen erheblichen Teil ihrer gesamten Sternmasse ausmachen. Werden Galaxien weiterhin mit einer Milchstraßen-IMF gewogen, wird ihre tatsächliche Sternmasse daher unterschätzt.

Besonders deutlich zeigt sich der Effekt bei den beiden ältesten untersuchten Objekten. Für sie steigt die abgeleitete Sternmasse um den Faktor drei bis vier, wenn die gemessene, bottom-lastige IMF berücksichtigt wird. Beide gelten als direkte Nachfahren jener ungewöhnlich früh ausgereiften Galaxien, die das JWST beobachtet hat.

Das Rätsel der frühen Galaxien wird größer

Eine der zugrunde liegenden alten Sternpopulationen dürfte weniger als 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall entstanden sein. Falls dort eine ähnlich bottom-lastige Sternbildung vorlag, musste die betreffende frühe Galaxie noch mehr Sternmasse in noch kürzerer Zeit aufbauen als bisher angenommen.

Das ist relevant, weil das JWST bereits massereiche, entwickelte Galaxien aus sehr frühen kosmischen Epochen gefunden hat. Zu diesen Beobachtungen gehört etwa die spektroskopisch bestätigte, bereits inaktive Galaxie GS-9209: Sie wurde bei einer Rotverschiebung von 4,658 beobachtet, als das Universum erst rund 1,25 Milliarden Jahre alt war.

Die neue IMF-Messung stammt allerdings aus Galaxien bei einer Rotverschiebung von etwa 0,7. Die Verbindung zu den noch früher beobachteten Systemen – einschließlich der „unmöglich frühen“ Galaxien innerhalb der ersten rund 500 Millionen Jahre – ist daher eine Schlussfolgerung beziehungsweise Extrapolation, keine direkte IMF-Messung an Galaxien mit einer Rotverschiebung von etwa 10 oder höher.

Wenn die tatsächlichen Massen früher Galaxien höher liegen als bisher berechnet, wird die Spannung zu gängigen Modellen der Galaxienentstehung nicht kleiner, sondern größer. Diese Modelle müssen dann erklären, wie so viele Sterne und insbesondere so viel verborgene Masse in der kurzen Zeit nach dem Urknall entstehen konnten.

Könnten dadurch auch mehr Planetensysteme entstanden sein?

Die Ergebnisse haben zudem eine mögliche Konsequenz für die Frage nach Planeten. Kleine, langlebige Sterne gelten als die wichtigsten potenziellen Wirte von Planetensystemen. War eine bottom-lastige Sternbildung im jungen Universum weit verbreitet, könnten dort mehr solcher Sterne entstanden sein als unter der Annahme einer Milchstraßen-IMF.

Damit könnte auch die Zahl der früh gebildeten Planetensysteme höher gewesen sein. Die Studie misst jedoch nicht direkt, wie häufig Planeten vorkommen, sondern ausschließlich die Verteilung der Sternmassen.

Der nächste Test mit JWST

Als nächsten Schritt wollen die Forschenden dieselbe Kombination aus extrem tiefen Spektren und großer Wellenlängenabdeckung auf Galaxien mit noch höherer Rotverschiebung anwenden. Ziel ist es, schrittweise bis zu Systemen aus der Epoche der ersten Sterne vorzudringen.

Mit zunehmender Rotverschiebung werden die IMF-sensitiven Merkmale in längere, beobachtbare Infrarotwellenlängen verschoben. So soll sich prüfen lassen, ob der Überschuss an massearmen Sternen tatsächlich auch die allerersten Galaxien kennzeichnete.