JWST löysi varastoon jäänyttä tähtimassaa varhaisista galakseista

Galakseissa on enemmän tähtiä kuin niiden valo paljastaa

Tähtitieteilijät ovat löytäneet kaukaisista, jo tähtienmuodostuksensa pääosin lopettaneista galakseista piiloon jäänyttä massaa. Galaksien valo kertoo vain osan tarinasta: himmeät pienimassaiset tähdet säteilevät vähän, mutta niitä voi olla niin paljon, että niiden yhteinen massa on huomattava.

Leidenin yliopiston johtama kansainvälinen tutkimusryhmä tarkasteli yhdeksää massiivista, passiivista galaksia punasiirtymällä noin 0,7. Kaikissa niissä havaittiin enemmän pienimassaisia tähtiä kuin Linnunradan kaltaisessa tähtipopulaatiossa.

JWST:n ja VLT:n aineistot täydensivät toisiaan

Tutkijat yhdistivät James Webb -avaruusteleskoopin NIRSpec-instrumentilla kerätyt erittäin syvät spektrit Euroopan eteläisen observatorion VLT-teleskoopin LEGA-C-kartoituksen syviin, sinisemmän optisen valon spektreihin. LEGA-C sisältää spektroskooppisia havaintoja galakseista, joiden punasiirtymä on noin 0,6–1,0.

Laaja aallonpituusalue oli ratkaiseva. Galaksin spektrin eri osat paljastavat erilaisia ominaisuuksia: lähi-infrapunan aallonpituudet ovat herkkiä himmeiden kääpiötähtien osuudelle, kun taas optinen valo auttaa määrittämään tähtipopulaation iän, metallipitoisuuden ja alkuainekoostumuksen.

Näin ryhmä pystyi arvioimaan tähtien syntyessä vallinnutta massajakaumaa eli alkuperäistä massafunktiota (IMF). Galaksin massaa ei siis tarvinnut laskea automaattisesti olettaen, että sen tähtipopulaatio muistuttaa Linnunradan tähtipopulaatiota.

Mitä tarkoittaa pohjapainotteinen massafunktio?

Alkuperäinen massafunktio kuvaa sitä, kuinka paljon eri massaisia tähtiä syntyy. Pohjapainotteisessa massafunktiossa pienimassaisia tähtiä on suhteellisesti enemmän kuin Linnunradan kaltaisessa jakaumassa.

Tutkimuksen yhdeksän galaksia osoittivat kaikki merkkejä tällaisesta pohjapainotteisesta jakaumasta. Pienimassaiset tähdet ovat yksittäin himmeitä, joten ne voivat jäädä tavanomaisissa havainnoissa käytännössä näkymättömiksi. Ne elävät kuitenkin pitkään, ja yhdessä ne lisäävät galaksin tähtimassaa huomattavasti.

Jos tutkijat käyttävät kaukaisen galaksin massan arvioinnissa Linnunradan kaltaista massafunktiota, vaikka galaksin todellinen jakauma on pohjapainotteinen, sen tähtimassa arvioidaan liian pieneksi.

Kahden vanhimman galaksin massa kasvoi jopa nelinkertaiseksi

Vaikutus oli erityisen suuri otoksen kahdessa vanhimmassa galaksissa. Niitä pidetään JWST:n paljastamien poikkeuksellisen varhain kypsyneiden galaksien suorina jälkeläisinä. Kun niiden massan laskennassa otettiin huomioon havaittu pohjapainotteinen massafunktio, arvioitu tähtimassa kasvoi kolmesta neljään kertaan.

Kyse ei ole pienestä teknisestä korjauksesta. Tulos muuttaa sitä, kuinka paljon ainetta galaksien muodostumismallien täytyy koota yhteen lyhyessä ajassa. Yksi vanhoista tähtipopulaatioista syntyi todennäköisesti alle 1,5 miljardia vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Sen edeltäjän on siis täytynyt rakentaa vielä aiempia arvioita suurempi tähtimassa vielä nopeammin.

Varhaisten galaksien ongelma vaikeutuu entisestään

JWST on jo löytänyt massiivisia ja kehittyneitä galakseja ajalta, jolloin maailmankaikkeus oli erittäin nuori. Esimerkiksi passiivinen galaksi GS-9209 varmistettiin spektroskooppisesti punasiirtymällä 4,658. Tuolloin alkuräjähdyksestä oli kulunut noin 1,25 miljardia vuotta, ja galaksin tähtimassaksi arvioitiin noin 3,8 × 10^10 Auringon massaa käytetyillä oletuksilla.

Uusi tulos ei mittaa suoraan galakseja ensimmäisten muutaman sadan miljoonan vuoden ajalta. Se antaa sen sijaan noin 0,7:n punasiirtymällä näyttöä siitä, että joidenkin hyvin varhaisten galaksien jälkeläisissä on odotettua enemmän pienimassaisia tähtiä. Johtopäätöksen ulottaminen kaikkein varhaisimpiin JWST:n galakseihin on siksi päätelmä, ei niiden alkuperäisen massafunktion suora mittaus.

Jos sama pohjapainotteinen tähtienmuodostuksen tapa vallitsi myös muinaisten galaksien syntyessä, niiden todellinen tähtimassa saattoi olla huomattavasti aiempia arvioita suurempi. Se kiristää galaksien muodostumismalleihin kohdistuvaa haastetta: mallien täytyy selittää paitsi kypsien galaksien ilmestyminen kosmiseen aamuhämärään, myös se, kuinka ne kokosivat vielä suuremman määrän tähtiä niin lyhyessä ajassa.

Tarkoittaako tähtien runsaus myös useampia planeettoja?

Pienimassaiset tähdet voivat elää hyvin pitkään ja toimia planeettajärjestelmien isäntätähtinä. Jos pohjapainotteinen tähtienmuodostus oli nuorassa maailmankaikkeudessa tavallista, pienimassaisia tähtiä on voinut syntyä enemmän kuin Linnunradan kaltaisiin oletuksiin perustuvat laskelmat näyttävät.

Tämä voisi kasvattaa arviota siitä, kuinka monta planeettajärjestelmää maailmankaikkeuden varhaisina aikoina muodostui. Johtopäätös on kuitenkin toistaiseksi spekulatiivinen. Tutkimus mittasi tähtipopulaatioita, ei planeettoja tai planeettojen yleisyyttä. Se kertoo mahdollisten planeettojen isäntätähtien määrästä, mutta ei siitä, kuinka usein tähdille syntyi planeettoja tai olivatko ne elinkelpoisia.

Seuraavaksi katse vielä kauemmas

Tutkijat aikovat soveltaa samaa menetelmää galakseihin, joiden punasiirtymä on yhä suurempi. Yhdistämällä erittäin syviä spektrejä laajalta lepokehyksen aallonpituusalueelta he voivat selvittää, jatkuuko pienimassaisten tähtien ylimäärä lähempänä ensimmäisten tähtien syntyaikaa.

Kun galaksit ovat riittävän kaukana, alkuperäisen massafunktion kannalta tärkeät spektripiirteet siirtyvät infrapuna-alueelle, jota JWST pystyy havainnoimaan. Tulevat mittaukset voivat osoittaa, onko pohjapainotteinen massafunktio vain tähän massiivisten passiivisten galaksien joukkoon liittyvä ominaisuus, varhaisen tähtienmuodostuksen laajempi piirre vai ajan ja ympäristön mukana muuttuva ilmiö.