JWST hittar dolda små stjärnor – galaxer i det tidiga universum kan vara fyra gånger tyngre

Astronomer har hittat en tidigare dold massakälla i avlägsna, mogna galaxer: ljussvaga stjärnor med låg massa. De bidrar ganska lite till en galax totala ljus, men kan stå för en betydande del av stjärnmassan. I en studie av nio massiva, slocknade galaxer vid rödförskjutning omkring 0,7 fann ett internationellt forskarlag lett från Leiden ett överskott av sådana stjärnor jämfört med den fördelning som observeras i Vintergatan.

Så hittade forskarna de dolda stjärnorna

Forskarna kombinerade extremt djupa spektra från James Webb-teleskopets NIRSpec-instrument med djupa, blåare optiska spektra från Very Large Telescope och undersökningen LEGA-C. LEGA-C är en spektroskopisk kartläggning av galaxer vid rödförskjutningar omkring 0,6–1,0, däribland massiva system som liknar galaxerna i den nya studien.

Den breda våglängdstäckningen är viktig eftersom olika delar av en galax spektrum avslöjar olika egenskaper. Infraröda egenskaper i galaxernas vilosystem är känsliga för bidraget från ljussvaga dvärgstjärnor, medan optiska egenskaper hjälper forskarna att bestämma galaxernas ålder, metallicitet och grundämnessammansättning. Genom att kombinera observationerna kan forskarna uppskatta den initiala massfunktionen – alltså fördelningen av stjärnornas födelsemassor – i stället för att helt enkelt anta att den är densamma som i Vintergatan.

Galaxerna har en botten-tung initial massfunktion

Den initiala massfunktionen, eller IMF, beskriver hur många stjärnor som bildas med olika massor. En botten-tung IMF innebär att en större andel av stjärnorna har låg massa än i den Vintergatan-lika fördelning som ofta används när galaxers massa beräknas.

Forskarna fann tecken på en sådan botten-tung fördelning i alla nio massiva, slocknade galaxer. Lågmassestjärnorna är svaga och kan därför i praktiken försvinna i vanliga observationer. Men de lever länge och bidrar tillsammans med betydande massa. Om man uppskattar massan hos en avlägsen galax med en Vintergatan-lik IMF trots att den verkliga fördelningen är botten-tung, underskattar man mängden stjärnmassa.

De två äldsta galaxerna blir tre till fyra gånger tyngre

Effekten är särskilt stor för de två äldsta objekten i urvalet. De betraktas som direkta efterföljare till de ovanligt tidiga, mogna galaxer som JWST har upptäckt. När forskarna tar hänsyn till den uppmätta botten-tunga IMF:en ökar deras uppskattade stjärnmassor med en faktor på tre till fyra.

Det är mer än en mindre justering. Resultatet förändrar hur mycket materia modeller av galaxbildning måste samla ihop under en mycket kort del av universums historia. En av de gamla stjärnpopulationerna bildades sannolikt mindre än 1,5 miljarder år efter Big Bang. Dess ursprungliga galax måste då ha byggt upp ännu mer stjärnmassa – och gjort det ännu snabbare – än tidigare uppskattningar antytt.

Därför blir problemet med de tidiga galaxerna ännu större

JWST har redan identifierat massiva, utvecklade galaxer från förvånansvärt tidiga epoker. Ett exempel är den slocknade galaxen GS-9209, som spektroskopiskt bekräftades vid rödförskjutning 4,658, när universum var omkring 1,25 miljarder år gammalt. Den uppskattade stjärnmassan var cirka 3,8 × 10^10 solmassor, utifrån antagandena i den analysen.

Det nya IMF-resultatet mäter inte direkt galaxer från de första hundratals miljoner åren efter Big Bang. I stället visar det att vissa efterföljare till mycket tidiga galaxer, vid rödförskjutning omkring 0,7, innehåller fler lågmassestjärnor än väntat. Att överföra samma slutsats till de allra tidigaste JWST-galaxerna är därför en inferens – inte en direkt mätning av deras IMF.

Om samma botten-tunga stjärnbildningsmönster gällde när de forntida galaxerna bildades, kan deras verkliga stjärnmassor ha varit betydligt större än de första uppskattningarna. Det skulle skärpa utmaningen för modellerna av galaxbildning: de måste inte bara förklara hur mogna galaxer kunde uppstå så tidigt, utan också hur de hann samla ihop ännu mer stjärnmassa än man tidigare trott.

Kan fler små stjärnor innebära fler planeter?

Lågmassestjärnor lever länge och kan vara värdar för planetsystem. Om botten-tung stjärnbildning var vanlig i det unga universum kan betydligt fler sådana stjärnor ha bildats än vad standardantaganden baserade på Vintergatan antyder. Det skulle i sin tur kunna höja uppskattningarna av hur många planetsystem som kan ha funnits tidigt i kosmisk historia.

Den slutsatsen är fortfarande spekulativ. Studien mätte stjärnpopulationer, inte planeter eller förekomsten av planeter. Resultatet förändrar den möjliga mängden långlivade stjärnor som kan hysa planetsystem, men visar inte hur ofta planeter bildades runt dem eller om sådana planeter var beboeliga.

Nästa steg: ännu längre tillbaka i tiden

Nästa steg blir att använda samma metod på galaxer vid successivt högre rödförskjutning. Genom att kombinera mycket djupa spektra över ett brett våglängdsområde kan forskarna testa om överskottet av lågmassestjärnor finns kvar närmare de första stjärnornas epok. Vid tillräckligt hög rödförskjutning flyttas de IMF-känsliga egenskaperna till infraröda våglängder som JWST kan observera.

De nya mätningarna kan visa om en botten-tung IMF är typisk för de massiva, slocknade galaxer som hittills studerats, om den var ett bredare kännetecken för tidig stjärnbildning eller om mönstret förändras med universums ålder och den kosmiska miljön.