Galaktyki mają więcej gwiazd, niż sądziliśmy. JWST ujawnia „ukrytą” masę

Międzynarodowy zespół kierowany przez Uniwersytet w Lejdzie wykorzystał niezwykle głębokie obserwacje spektroskopowe Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), aby sprawdzić, z jakich gwiazd zbudowane są odległe galaktyki. Kluczowe było połączenie widm instrumentu NIRSpec z danymi optycznymi uzyskanymi przez naziemny teleskop Very Large Telescope (VLT) w ramach przeglądu LEGA-C.

Badacze analizowali dziewięć masywnych galaktyk przy przesunięciu ku czerwieni około 0,7 — czyli takich, które obserwujemy w stanie sprzed mniej więcej 6–7 miliardów lat. Wszystkie już wcześniej zakończyły intensywne tworzenie gwiazd, dlatego określa się je jako galaktyki wygaszone lub nieaktywne gwiazdotwórczo.

Jak zmierzono „ukrytą” masę?

Astronomowie nie założyli z góry, że galaktyki mają taki sam rozkład mas nowo powstających gwiazd jak Droga Mleczna. Ten rozkład nazywa się funkcją początkowej masy gwiazd, w skrócie IMF.

W widmach poszukiwano sygnałów charakterystycznych dla małomasywnych gwiazd karłowatych. Obiekty te emitują niewiele światła, ale mogą stanowić znaczną część całkowitej masy gwiazdowej galaktyki. Podczerwone widma NIRSpec były szczególnie czułe na ich słabe cechy absorpcyjne, natomiast obserwacje optyczne VLT pomagały określić wiek populacji gwiazd, jej metaliczność oraz zawartość poszczególnych pierwiastków.

Tak szeroki zakres długości fal pozwolił oddzielić wpływ liczby małych gwiazd od innych właściwości populacji gwiazdowej.

Wszystkie dziewięć galaktyk miało nadmiar małych gwiazd

Wynik był jednoznaczny: w każdej z dziewięciu galaktyk funkcja początkowej masy gwiazd była bardziej „ciężka u dołu” niż w przypadku rozkładu typowego dla Drogi Mlecznej. Oznacza to, że w porównaniu z naszą Galaktyką powstało w nich znacznie więcej słabo świecących gwiazd o małej masie.

To ważne, ponieważ standardowe szacunki masy odległych galaktyk często zakładają rozkład gwiazd podobny do tego obserwowanego w Drodze Mlecznej. Jeśli w rzeczywistości dominują w nich małomasywne karły, ich światło może sugerować mniejszą masę, niż faktycznie posiadają. Dla dwóch najstarszych badanych obiektów zastosowanie zmierzonej funkcji IMF podniosło szacowaną masę gwiazd od trzech do czterech razy.

Problem z „zbyt wczesnymi” galaktykami staje się większy

Teleskop Jamesa Webba już wcześniej wykazał, że masywne, dojrzałe galaktyki pojawiły się zaskakująco wcześnie. Jednym z przykładów jest GS-9209 — masywna galaktyka wygaszona, potwierdzona spektroskopowo przy przesunięciu ku czerwieni z=4,658, zaledwie około 1,25 miliarda lat po Wielkim Wybuchu.

Nowe wyniki sugerują, że jeśli podobny, bogaty w małomasywne gwiazdy rozkład obowiązywał w galaktykach, z których te obiekty się wywodzą, musiały one zgromadzić jeszcze więcej masy w jeszcze krótszym czasie. To dodatkowo zaostrza napięcie między obserwacjami a modelami opisującymi powstawanie galaktyk.

Trzeba jednak zachować ostrożność: badanie nie zmierzyło bezpośrednio funkcji IMF w galaktykach przy z≥10, obserwowanych w pierwszych około 500 milionach lat istnienia Wszechświata. Najbardziej wiarygodne pomiary przedstawione w tej pracy dotyczą dziewięciu galaktyk przy z≈0,7. Wnioski o najwcześniejszych obiektach są ekstrapolacją, którą trzeba dopiero sprawdzić.

Czy oznacza to więcej planet?

Jeśli gwiazdy o małej masie rzeczywiście powstawały we wczesnym Wszechświecie częściej, niż zakładano, mogło istnieć także więcej długowiecznych gwiazd — potencjalnych gospodarzy układów planetarnych. To mogłoby zwiększyć szacunki liczby planet powstałych w młodym Wszechświecie, ale omawiane badanie nie mierzy bezpośrednio częstości występowania planet.

Kolejnym krokiem ma być zastosowanie tej samej metody do galaktyk o coraz większym przesunięciu ku czerwieni. Astronomowie chcą sprawdzić, czy nadmiar małomasywnych gwiazd występował także w galaktykach powstających jeszcze bliżej epoki pierwszych gwiazd. W miarę jak światło tych obiektów przesuwa się ku podczerwieni, JWST może umożliwić obserwację odpowiednich cech widmowych.