Слабые маломассивные звёзды сделали древние галактики в четыре раза массивнее

Что означает «тяжёлая нижняя часть» распределения

Начальная функция масс, или IMF, показывает, сколько звёзд разных масс формируется в звёздном населении. При так называемой начально функции масс с избытком маломассивных звёзд — bottom-heavy IMF — доля лёгких звёзд выше, чем в распределении, похожем на наблюдаемое в Млечном Пути.

Команда нашла признаки такого распределения во всех девяти массивных спокойных галактиках. Маломассивные звёзды слабы и поэтому практически неразличимы в обычных наблюдениях. Но они живут очень долго, а их совокупная масса оказывается значительной.

Если оценивать массу далёкой галактики, предполагая распределение звёзд, характерное для Млечного Пути, то итоговая масса звёзд будет занижена.

Две самые старые галактики оказались в три-четыре раза тяжелее

Эффект особенно заметен для двух самых старых галактик в выборке. Их считают прямыми потомками необычно ранних зрелых галактик, обнаруженных телескопом James Webb. После применения измеренной bottom-heavy IMF оценка их звёздной массы выросла в три-четыре раза.

Это не просто небольшая поправка в расчётах. Теперь моделям формирования галактик необходимо объяснить, как за короткий период космической истории удалось собрать ещё больше вещества в звёздах.

Одна из старых звёздных популяций, вероятно, сформировалась менее чем через 1,5 млрд лет после Большого взрыва. Значит, её галактика-предшественник должна была накопить ещё большую звёздную массу и сделать это ещё быстрее, чем предполагали прежние оценки.

Почему это усиливает проблему «слишком ранних» галактик JWST

Телескоп James Webb уже обнаружил массивные эволюционировавшие галактики, существовавшие на удивительно ранних этапах истории Вселенной. Например, спокойная галактика GS-9209 была спектроскопически подтверждена на красном смещении 4,658 — примерно через 1,25 млрд лет после Большого взрыва. Её звёздная масса оценивалась примерно в 3,8 × 10¹⁰ масс Солнца в рамках использованных тогда предположений.

Новый результат не является прямым измерением начальной функции масс галактик первых нескольких сотен миллионов лет после Большого взрыва. Исследование измерило IMF у галактик на красном смещении около 0,7, которые могут быть потомками очень ранних систем. Поэтому перенос этого вывода на самые древние галактики JWST остаётся научной гипотезой, а не прямым наблюдением.

Если при формировании древних галактик действительно преобладали маломассивные звёзды, их настоящая звёздная масса могла быть значительно выше первоначальных оценок. Это усиливает напряжение между наблюдениями и моделями формирования галактик: теориям придётся объяснить не только появление зрелых массивных систем вскоре после Большого взрыва, но и сбор ещё большего количества звёздной массы за столь короткое время.

Может ли избыток маломассивных звёзд означать больше планет?

Маломассивные звёзды живут очень долго и могут иметь собственные планетные системы. Если bottom-heavy звездообразование было распространено в молодой Вселенной, таких потенциальных хозяев планет могло образоваться больше, чем предполагают стандартные оценки на основе Млечного Пути. В таком случае могло увеличиться и расчётное число планетных систем, существовавших на ранних этапах космической истории.

Однако это пока лишь возможное следствие. Исследование измеряло свойства звёздных популяций, а не число планет и не частоту их формирования. Оно указывает на потенциально большее количество маломассивных звёзд-хозяев, но не показывает, как часто у них возникали планеты и могли ли эти планеты быть пригодны для жизни.

Что исследователи будут проверять дальше

Следующий шаг — применить тот же метод к галактикам с постепенно увеличивающимся красным смещением. Сочетание сверхглубоких спектров в широком диапазоне длин волн позволит проверить, сохраняется ли избыток маломассивных звёзд ближе к эпохе появления первых звёзд.

При достаточно больших красных смещениях чувствительные к IMF спектральные признаки смещаются в инфракрасную область, доступную для наблюдений JWST.

Новые измерения помогут выяснить, была ли bottom-heavy IMF характерной особенностью именно изученных массивных спокойных галактик, более общим свойством раннего звездообразования или закономерностью, менявшейся со временем и в зависимости от условий окружающей среды.