Bintang kecil yang malap bongkar jisim tersembunyi dalam galaksi awal

Bagaimana kajian ini dijalankan?

Pasukan antarabangsa yang diketuai Universiti Leiden menggunakan spektroskopi—kaedah menguraikan cahaya kepada spektrum—untuk mengesan kesan cahaya bintang kerdil berjisim rendah yang biasanya terlalu malap untuk dilihat dengan jelas. Daripada menganggap semua galaksi mempunyai taburan jisim bintang seperti Bima Sakti, mereka mengukur sendiri fungsi jisim awal atau initial mass function (IMF), iaitu taburan jisim bintang ketika bintang-bintang itu terbentuk.

Mereka mengkaji sembilan galaksi besar yang sudah tidak lagi membentuk bintang pada anjakan merah sekitar 0.7. Anjakan merah (redshift) ini menunjukkan bahawa cahaya galaksi tersebut mengambil masa berbilion tahun untuk sampai kepada kita, lalu membolehkan ahli astronomi melihatnya pada peringkat lebih awal dalam sejarah alam semesta.

Data utama datang daripada spektrum ultra dalam instrumen NIRSpec milik Teleskop Angkasa James Webb melalui program JWST-IMFERNO. Data itu kemudian digabungkan dengan spektrum optik yang lebih biru daripada tinjauan LEGA-C menggunakan Very Large Telescope (VLT) di bumi. Liputan panjang gelombang yang luas membantu penyelidik membezakan ciri serapan yang sensitif kepada bintang kerdil daripada ciri yang memberikan maklumat tentang usia, kandungan logam dan kelimpahan unsur dalam galaksi.

Galaksi ini menyimpan lebih banyak bintang kecil

Keputusan kajian menunjukkan bahawa kesemua sembilan galaksi mempunyai IMF yang lebih berat di bahagian bawah berbanding Bima Sakti. Dalam erti kata lain, galaksi-galaksi itu mengandungi jauh lebih banyak bintang berjisim rendah dan bercahaya malap berbanding yang diandaikan menggunakan taburan kelahiran bintang seperti di Bima Sakti.

Bintang-bintang kecil ini menyumbang sedikit sahaja kepada cahaya keseluruhan galaksi, tetapi boleh membentuk sebahagian besar jisim bintangnya. Oleh itu, anggaran konvensional yang menggunakan IMF Bima Sakti berisiko meremehkan jumlah jisim sebenar galaksi.

Bagi dua objek tertua dalam sampel—yang dikenal pasti sebagai keturunan langsung galaksi matang yang muncul sangat awal dalam pemerhatian JWST—penggunaan IMF yang diukur itu meningkatkan anggaran jisim bintang sebanyak tiga hingga empat kali ganda.

Mengapa penemuan ini menambah tekanan kepada model kosmologi?

JWST telah menemui galaksi besar dan berevolusi pada zaman alam semesta yang sangat muda, termasuk sistem yang telah disahkan secara spektroskopi sebagai galaksi besar tanpa pembentukan bintang pada kira-kira 1.25 bilion tahun selepas Letupan Besar. Kewujudan galaksi sedemikian sudah pun mencabar model pembentukan galaksi, yang meramalkan proses pengumpulan jisim berlaku dengan lebih perlahan.

Jika galaksi awal itu turut membentuk bintang mengikut IMF yang berat di bahagian bawah, jumlah jisim yang perlu dikumpulkannya adalah lebih besar daripada anggaran terdahulu. Ini bermakna galaksi tersebut bukan sahaja perlu terbentuk dengan pantas, malah perlu mengumpulkan lebih banyak jisim dalam tempoh yang singkat—sekali gus menguatkan ketegangan dengan model pembentukan galaksi semasa.

Namun, kaitan dengan galaksi yang diperhatikan dalam kira-kira 500 juta tahun pertama alam semesta masih merupakan ekstrapolasi. Kajian ini belum mengukur IMF secara langsung bagi galaksi pada anjakan merah sekitar 10 atau lebih. Pengukuran paling kukuh dalam kajian ini adalah untuk galaksi pada anjakan merah sekitar 0.7.

Adakah lebih banyak bintang kecil bermakna lebih banyak planet?

Jika pembentukan bintang yang berat di bahagian bawah merupakan perkara biasa pada zaman muda alam semesta, maka jumlah bintang kecil yang berumur panjang mungkin lebih banyak daripada yang diandaikan menggunakan IMF Bima Sakti. Bintang-bintang berjisim rendah ini ialah antara calon utama hos sistem planet, jadi penemuan tersebut berpotensi meningkatkan anggaran jumlah sistem planet yang terbentuk pada peringkat awal kosmik.

Bagaimanapun, kajian ini tidak mengukur kadar kewujudan planet secara langsung. Implikasi terhadap planet itu masih merupakan kemungkinan berdasarkan jumlah bintang berjisim rendah yang dianggarkan.

Langkah seterusnya

Penyelidik merancang menggunakan pendekatan spektroskopi ultra dalam dengan liputan panjang gelombang yang luas pada galaksi yang lebih jauh dan lebih awal. Matlamat akhirnya adalah mengkaji sistem yang menghampiri zaman bintang-bintang pertama, ketika ciri spektrum sensitif kepada IMF dialihkan ke panjang gelombang inframerah yang boleh diperhatikan oleh JWST.

Pemerhatian itu akan membantu menentukan sama ada lebihan bintang berjisim rendah benar-benar menjadi ciri umum galaksi paling awal, atau hanya berlaku pada galaksi tertentu.