Hoe de James Webb-telescoop verborgen sterrenmassa in vroege sterrenstelsels blootlegde

Veel meer lichte sterren dan in de Melkweg

Alle negen sterrenstelsels bleken een zogenoemde bottom-heavy IMF te hebben. Vergeleken met een Melkwegachtige verdeling bevatten ze relatief veel meer zwakke sterren met een lage massa.

Die sterren leveren maar weinig zichtbaar licht, maar vertegenwoordigen wel een groot deel van de totale sterrenmassa. Als astronomen bij hun berekeningen toch een Melkwegachtige IMF gebruiken, kunnen ze de werkelijke massa van zulke sterrenstelsels dus aanzienlijk onderschatten.

Voor de twee oudste objecten, die worden gezien als nakomelingen van JWST-sterrenstelsels die uitzonderlijk vroeg in het heelal al volwassen waren, leidt de gemeten IMF tot sterrenmassa’s die drie tot vier keer hoger zijn dan eerdere schattingen.

Het probleem van de ‘onmogelijk vroege’ sterrenstelsels wordt groter

Een van de onderzochte oude sterrenpopulaties moet waarschijnlijk minder dan 1,5 miljard jaar na de oerknal zijn gevormd. Als de IMF van het nakomelingsstelsel vergelijkbaar was met de IMF tijdens zijn vorming, moest het vroege sterrenstelsel dus nog meer sterrenmassa in nog kortere tijd hebben opgebouwd dan eerder werd gedacht.

JWST heeft al massieve, geëvolueerde sterrenstelsels ontdekt op zeer jonge kosmische leeftijden. Daaronder bevinden zich spectroscopisch bevestigde quiescente sterrenstelsels van ongeveer 1,25 miljard jaar na de oerknal. Hun snelle vorming zet modellen voor sterrenstelselvorming al onder druk. Een hogere werkelijke massa maakt die spanning groter, in plaats van haar op te lossen.

De mogelijke link met sterrenstelsels die binnen ongeveer 500 miljoen jaar na de oerknal werden waargenomen, is daarbij een extrapolatie naar de vroegste, soms ‘onmogelijk vroege’ systemen. Het onderzoek zelf levert robuuste IMF-metingen voor sterrenstelsels op een roodverschuiving van ongeveer 0,7, niet rechtstreeks voor sterrenstelsels bij z ≳ 10.

Mogelijke gevolgen voor planeten

Als stervorming in het jonge heelal vaker een bottom-heavy karakter had, zouden er ook meer langlevende sterren met een lage massa zijn ontstaan dan modellen met een Melkwegachtige IMF voorspellen. Zulke sterren gelden als belangrijke mogelijke gastheren voor planeten.

Dat kan betekenen dat er in het vroege heelal meer planetenstelsels zijn gevormd dan eerder werd geschat. De studie meet echter niet rechtstreeks hoe vaak planeten voorkomen; het gaat om een mogelijke consequentie van de gevonden sterrenverdeling.

De volgende stap: nog verder terugkijken

De onderzoekers willen dezelfde combinatie van ultradiepe spectra over een breed rustframe-golflengtegebied toepassen op sterrenstelsels met steeds hogere roodverschuivingen. Uiteindelijk willen ze systemen benaderen uit de tijd waarin de eerste sterren ontstonden.

Bij zulke vroege sterrenstelsels verschuiven de spectrale kenmerken die gevoelig zijn voor de IMF naar infrarode golflengten die JWST kan waarnemen. Zo kan worden getest of het overschot aan lichte sterren ook kenmerkend was voor de allereerste sterrenstelsels.