JWST avslöjar dold stjärnmassa i avlägsna galaxer

En ny väg att väga galaxer

Ett internationellt forskarlag med koppling till Leiden University har använt ultradjupa observationer från James Webb-teleskopet för att undersöka nio massiva galaxer där stjärnbildningen redan hade upphört. Galaxerna ligger på en rödförskjutning kring 0,7, vilket innebär att vi ser dem som de såg ut för flera miljarder år sedan.

I stället för att utgå från att stjärnorna föddes med samma massfördelning som i Vintergatan mätte forskarna den så kallade initiala massfunktionen (IMF) direkt. Den beskriver hur många stjärnor som bildas i olika massklasser.

Resultatet: alla nio galaxer innehåller ett överskott av små, ljussvaga stjärnor. Deras IMF är alltså mer botten-tung än Vintergatans.

Så gick mätningen till

• Forskarna kombinerade ultradjupa infraröda spektra från James Webb-teleskopets NIRSpec-instrument, inom programmet JWST-IMFERNO, med djupa optiska spektra från Very Large Telescope och undersökningen LEGA-C.
• Den breda våglängdstäckningen gjorde det möjligt att skilja absorptionssignaturer från lågmassestjärnor i det nära infraröda området från signaler som avslöjar galaxernas ålder, metallicitet och grundämnessammansättning.
• Urvalet bestod av nio massiva galaxer som redan hade slutat bilda stjärnor vid rödförskjutning omkring 0,7. Det gav forskarna en ovanligt detaljerad bild av deras samlade stjärnpopulationer.

Många små stjärnor – mycket mer massa

Lågmassestjärnor bidrar bara lite till en galax totala ljusstyrka, men de kan stå för en stor del av dess massa. Om man antar en Vintergatan-lik IMF riskerar man därför att underskatta hur mycket materia galaxen faktiskt innehåller.

För de två äldsta galaxerna i studien, som betraktas som direkta efterföljare till de ovanligt tidigt mogna galaxer som James Webb har upptäckt, ökade den beräknade stjärnmassan med en faktor på tre till fyra när den uppmätta IMF:en användes.

Det betyder inte att forskarna har hittat en ny typ av materia. I stället visar resultatet att en betydande del av galaxernas stjärnmassa kan vara svår att se eftersom den finns i mycket ljussvaga stjärnor.

Förvärrar frågan om de tidiga galaxerna

James Webb-teleskopet har redan identifierat massiva och utvecklade galaxer från mycket tidiga skeden av universum. Bland dem finns spektroskopiskt bekräftade lugna galaxer ungefär 1,25 miljarder år efter Big Bang. Deras snabba uppbyggnad har varit svår att förena med många modeller för galaxbildning.

En av de äldsta stjärnpopulationerna i den nya studien tros ha bildats mindre än 1,5 miljarder år efter Big Bang. Om dess efterföljare hade en lika botten-tung IMF när stjärnorna bildades, måste galaxen alltså ha samlat på sig ännu mer stjärnmassa – och gjort det ännu snabbare – än tidigare beräkningar antytt.

Kopplingen till galaxer som observerats inom ungefär 500 miljoner år efter Big Bang är däremot en extrapolering till de allra tidigaste, ibland kallade ”omöjligt tidiga”, systemen. Studien mäter inte IMF direkt i galaxer vid rödförskjutningar på omkring 10 eller högre. De robusta mätningarna gäller galaxer vid ungefär z = 0,7.

Kan det också betyda fler planeter?

Om botten-tung stjärnbildning var vanlig i det unga universum skulle det ha bildats fler långlivade lågmassestjärnor än vad en Vintergatan-lik IMF förutsäger. Sådana stjärnor är de främsta potentiella värdarna för planetsystem.

Det kan därför innebära att fler planetsystem bildades tidigt än man hittills räknat med. Studien mäter dock inte förekomsten av planeter direkt, så den slutsatsen är fortfarande en möjlighet – inte ett observerat resultat.

Nästa steg blir att använda samma kombination av ultradjupa och breda spektra på galaxer med allt högre rödförskjutning. Målet är att närma sig epoken då de första stjärnorna bildades och testa om överskottet av lågmassestjärnor också präglade universums allra tidigaste galaxer.