JWST scopre stelle invisibili che rendono le galassie primordiali fino a quattro volte più massicce

Una funzione di massa dominata dalle stelle leggere

Una IMF “bottom-heavy”, letteralmente “pesante verso il basso”, indica una popolazione con una proporzione maggiore di stelle di piccola massa rispetto a quella tipica della Via Lattea.

Il team ha trovato segnali compatibili con questo schema in tutte e nove le galassie. Le stelle leggere sono molto meno luminose delle stelle massicce e possono quindi sfuggire alle osservazioni ordinarie. Tuttavia, vivono per tempi estremamente lunghi e, sommate, aggiungono una quantità rilevante di massa.

Di conseguenza, se la massa di una galassia viene calcolata usando una IMF simile a quella della Via Lattea quando la popolazione reale è più ricca di stelle leggere, la massa stellare complessiva viene sottostimata.

Le due galassie più antiche diventano da tre a quattro volte più massicce

L’effetto è particolarmente marcato per i due oggetti più antichi del campione, considerati discendenti diretti delle galassie mature e insolitamente precoci osservate da JWST. Applicando la funzione di massa misurata, la loro massa stellare stimata aumenta di un fattore compreso tra tre e quattro.

Si tratta di una correzione sostanziale, non di un semplice ritocco ai dati. I modelli di formazione galattica devono ora spiegare come assemblare una quantità di stelle ancora maggiore in una fase molto breve della storia cosmica.

Una delle popolazioni stellari più antiche potrebbe essersi formata meno di 1,5 miliardi di anni dopo il Big Bang. Il suo progenitore avrebbe quindi dovuto accumulare una massa stellare ancora più grande, e in tempi ancora più rapidi, rispetto a quanto indicavano le stime precedenti.

Perché il problema delle galassie precoci si fa più difficile

JWST ha già individuato galassie massicce ed evolute in epoche sorprendentemente remote. Un esempio è GS-9209, una galassia quiescente confermata spettroscopicamente a redshift 4,658, quando l’Universo aveva circa 1,25 miliardi di anni. La sua massa stellare era stata stimata in circa 3,8 × 10^10 masse solari sulla base delle ipotesi adottate nell’analisi.

Il nuovo risultato sulla IMF non misura direttamente le galassie dei primi centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang. Fornisce invece una prova, a redshift circa 0,7, che alcuni discendenti delle galassie più antiche contengono più stelle di piccola massa del previsto. Applicare la stessa conclusione alle galassie più remote osservate da JWST è dunque un’inferenza, non una misurazione diretta della loro IMF.

Se una formazione stellare dominata dalle stelle leggere fosse già presente quando quelle galassie antiche si formarono, le loro masse reali potrebbero essere molto superiori alle prime stime. Questo aumenterebbe la pressione sui modelli: non basterebbe spiegare come galassie mature siano comparse così presto, ma anche come abbiano assemblato una massa stellare ancora più elevata.

Più stelle piccole significano anche più pianeti?

Le stelle di piccola massa possono vivere per periodi lunghissimi e sono potenziali ospiti di sistemi planetari. Se una formazione stellare “bottom-heavy” fosse stata comune nell’Universo giovane, potrebbero essersi formate più stelle longeve di quanto suggeriscano le stime basate su una popolazione simile a quella della Via Lattea.

Questo potrebbe aumentare il numero stimato di sistemi planetari esistiti nelle prime epoche cosmiche. L’ipotesi, però, resta speculativa: lo studio misura le popolazioni stellari, non i pianeti né la frequenza con cui si formano. Non dimostra quindi né che quelle stelle abbiano avuto pianeti né che tali pianeti fossero abitabili.

Il prossimo passo: osservare galassie ancora più lontane

I ricercatori intendono applicare la stessa strategia a galassie a redshift progressivamente più alto. Spettri molto profondi, raccolti su un intervallo ampio di lunghezze d’onda, permetteranno di verificare se l’eccesso di stelle poco massicce persiste avvicinandosi all’epoca delle prime stelle.

A redshift sufficientemente elevati, le caratteristiche spettrali sensibili alla IMF vengono spostate verso l’infrarosso, una regione che JWST è progettato per osservare. Le nuove misurazioni dovranno chiarire se la IMF bottom-heavy è tipica soltanto delle galassie massicce e quiescenti già studiate, se riflette un fenomeno più generale della formazione stellare primordiale o se cambia con il tempo cosmico e con l’ambiente.