Verborgen dwergsterren onthullen extra massa in vroege sterrenstelsels

Een ‘bodemzware’ verdeling van sterren

De initiële massafunctie, vaak afgekort als IMF, beschrijft hoeveel sterren er bij hun ontstaan in verschillende massaklassen gevormd worden. Een bodemzware IMF bevat relatief veel meer sterren met een lage massa dan de verdeling die doorgaans voor de Melkweg wordt gebruikt.

De onderzoekers vonden aanwijzingen voor zo’n bodemzware verdeling in alle negen massieve, inactieve sterrenstelsels. De lichte sterren zijn zo zwak dat ze in gewone waarnemingen grotendeels verborgen kunnen blijven. Ze leven echter zeer lang en hun gezamenlijke massa loopt sterk op.

Wanneer astronomen de massa van een ver sterrenstelsel berekenen met een Melkwegachtige IMF, terwijl de werkelijke verdeling bodemzwaar is, onderschatten ze dus de totale massa aan sterren.

De twee oudste sterrenstelsels worden drie tot vier keer zwaarder

Het effect is het grootst bij de twee oudste objecten in het onderzoek. Deze worden beschouwd als directe nakomelingen van de ongewoon vroege, volwassen sterrenstelsels die JWST heeft gevonden. Wanneer de gemeten bodemzware IMF wordt toegepast, neemt hun geschatte stellaire massa toe met een factor drie tot vier.

Dat is geen kleine correctie. Het verandert hoeveel materie modellen voor de vorming van sterrenstelsels in een zeer korte periode van de kosmische geschiedenis moeten samenbrengen. Een van de oude sterrenpopulaties is waarschijnlijk minder dan 1,5 miljard jaar na de oerknal gevormd. Zijn voorouder moet dan een nog grotere hoeveelheid sterren hebben opgebouwd — en dat nog sneller dan eerdere schattingen aangaven.

Waarom dit het probleem rond vroege sterrenstelsels groter maakt

JWST heeft al massieve, geëvolueerde sterrenstelsels gevonden uit een verrassend vroege fase van het heelal. Zo werd het inactieve sterrenstelsel GS-9209 spectroscopisch bevestigd op roodverschuiving 4,658, toen het heelal ongeveer 1,25 miljard jaar oud was. De geschatte stellaire massa bedroeg ongeveer 3,8 × 10^10 zonnemassa’s, uitgaande van de aannames van die analyse.

De nieuwe IMF-resultaten meten niet rechtstreeks sterrenstelsels uit de eerste paar honderd miljoen jaar na de oerknal. Ze leveren bewijs op roodverschuiving z ≈ 0,7 dat sommige nakomelingen van zeer vroege sterrenstelsels meer lichte sterren bevatten dan verwacht. Het doortrekken van die conclusie naar de oudste JWST-sterrenstelsels is daarom een gevolgtrekking, geen directe meting van hun IMF.

Als dezelfde bodemzware manier van stervorming ook gold toen die oeroude sterrenstelsels ontstonden, kan hun werkelijke stellaire massa aanzienlijk groter zijn geweest dan aanvankelijk gedacht. Dat maakt de uitdaging voor modellen van sterrenstelselvorming nog groter: die moeten niet alleen verklaren hoe volwassen sterrenstelsels zo vroeg konden ontstaan, maar ook hoe ze in die korte tijd nog meer sterrenmassa konden opbouwen.

Betekenen meer lichte sterren ook meer planeten?

Sterren met een lage massa leven lang en kunnen potentiële gastheren voor planeten zijn. Als bodemzware stervorming in het jonge heelal veel voorkwam, zijn er mogelijk meer van zulke langlevende sterren ontstaan dan modellen met een Melkwegachtige IMF veronderstellen. Daarmee zou ook het geschatte aantal planetenstelsels in de vroege kosmische geschiedenis kunnen toenemen.

Die mogelijkheid blijft voorlopig speculatief. Het onderzoek keek naar sterrenpopulaties, niet naar planeten of de frequentie waarmee planeten ontstaan. De resultaten veranderen dus wel de mogelijke hoeveelheid lichte sterren die als gastheer kunnen dienen, maar tonen niet aan hoe vaak rond zulke sterren planeten ontstonden — laat staan of die bewoonbaar waren.

Volgende stap: nog verder terug in de tijd

De onderzoekers willen dezelfde methode toepassen op sterrenstelsels met steeds hogere roodverschuivingen. Door zeer diepe spectra over een breed bereik van golflengten te combineren, kunnen ze nagaan of het overschot aan lichte sterren ook dichter bij het tijdperk van de eerste sterren voorkomt.

Bij voldoende hoge roodverschuiving verschuiven de kenmerken die gevoelig zijn voor de IMF naar infrarode golflengten die JWST kan waarnemen. Zo kunnen toekomstige metingen uitwijzen of de bodemzware IMF kenmerkend is voor de massieve, inactieve sterrenstelsels die tot nu toe zijn onderzocht, een algemener gevolg is van vroege stervorming, of in de loop van de kosmische tijd en per omgeving verandert.