การมีข้อมูลครอบคลุมหลายช่วงคลื่นเป็นกุญแจสำคัญ เพราะแสงแต่ละช่วงบอกคุณสมบัติของกาแล็กซีแตกต่างกัน สัญญาณในอินฟราเรดใกล้ของกรอบอ้างอิงร่วมกับกาแล็กซีไวต่อร่องรอยของดาวแคระมวลต่ำที่ส่องแสงจาง ขณะที่สเปกตรัมช่วงแสงช่วยจำกัดอายุ ปริมาณโลหะ และสัดส่วนธาตุในดาวฤกษ์

เมื่อรวมข้อมูลทั้งสองชุด นักวิจัยจึงสามารถประเมิน “ฟังก์ชันมวลเริ่มต้น” หรือ IMF ซึ่งอธิบายว่าดาวฤกษ์เกิดขึ้นในแต่ละช่วงมวลมากน้อยเพียงใด แทนที่จะสมมติว่า IMF ของกาแล็กซีห่างไกลต้องเหมือนกับของทางช้างเผือก

กาแล็กซีทั้ง 9 แห่งมี IMF ที่เอนไปทางดาวมวลต่ำ

IMF แบบ bottom-heavy หมายถึงการก่อตัวของดาวฤกษ์ที่มีสัดส่วนดาวมวลต่ำมากกว่าการกระจายมวลที่พบโดยทั่วไปในทางช้างเผือก ดาวประเภทนี้มีความสว่างต่ำ แต่มีอายุยืนยาว และเมื่อรวมกันก็สามารถกักเก็บมวลไว้ได้มาก

ทีมวิจัยพบหลักฐานของ IMF แบบ bottom-heavy ในกาแล็กซีมวลสูงที่หยุดสร้างดาวแล้วทั้ง 9 แห่ง นั่นหมายความว่า หากนักวิจัยใช้แบบจำลองที่อิง IMF ของทางช้างเผือกเพื่อคำนวณมวลกาแล็กซี ก็อาจประเมินมวลดาวฤกษ์ทั้งหมดต่ำกว่าความเป็นจริง

กาแล็กซีที่เก่าแก่ที่สุดมีมวลเพิ่มขึ้น 3–4 เท่า

ผลกระทบชัดเจนเป็นพิเศษในกาแล็กซีที่เก่าแก่ที่สุด 2 แห่งของกลุ่มตัวอย่าง นักวิจัยมองว่ากาแล็กซีทั้งสองเป็นผู้สืบทอดโดยตรงของกาแล็กซีมวลสูงที่ JWST ตรวจพบว่าเติบโตเต็มที่ตั้งแต่เอกภพยังมีอายุน้อยมาก

เมื่อใช้ IMF ที่วัดได้ซึ่งมีดาวมวลต่ำเป็นสัดส่วนสูง มวลดาวฤกษ์ของกาแล็กซีทั้งสองเพิ่มขึ้นประมาณ 3–4 เท่าจากค่าประเมินเดิม

นี่ไม่ใช่เพียงการปรับตัวเลขเล็กน้อย แต่เปลี่ยนปริมาณสสารที่แบบจำลองการก่อตัวกาแล็กซีต้องอธิบาย โดยประชากรดาวฤกษ์หนึ่งในกาแล็กซีเก่าแก่นั้นอาจก่อตัวขึ้นภายในเวลาไม่ถึง 1,500 ล้านปีหลังบิกแบง ดังนั้นกาแล็กซีต้นกำเนิดของมันอาจต้องสะสมมวลดาวฤกษ์จำนวนมากกว่าที่เคยคิด และต้องทำให้เสร็จเร็วกว่าเดิมอีก

ทำไมผลลัพธ์นี้ทำให้ปัญหากาแล็กซียุคต้นยิ่งท้าทาย

JWST เคยพบกาแล็กซีมวลสูงและมีวิวัฒนาการแล้วในช่วงเวลาที่เอกภพยังอายุน้อยอย่างน่าประหลาดใจ ตัวอย่างหนึ่งคือ GS-9209 ซึ่งได้รับการยืนยันด้วยสเปกโทรสโกปีที่เรดชิฟต์ 4.658 เมื่อเอกภพมีอายุประมาณ 1,250 ล้านปี โดยมวลดาวฤกษ์ที่อนุมานได้อยู่ที่ประมาณ 3.8 × 10^10 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ภายใต้สมมติฐานที่ใช้ในการวิเคราะห์ครั้งนั้น

อย่างไรก็ตาม ผลการศึกษา IMF ครั้งใหม่นี้ไม่ได้วัดกาแล็กซีในช่วงไม่กี่ร้อยล้านปีแรกหลังบิกแบงโดยตรง แต่เป็นหลักฐานจากกาแล็กซีที่เรดชิฟต์ประมาณ 0.7 ซึ่งอาจเป็นผู้สืบทอดของกาแล็กซีที่ก่อตัวขึ้นในยุคแรกมาก การนำผลนี้ไปใช้กับกาแล็กซีที่ JWST พบในยุคแรกสุดจึงยังเป็นการอนุมาน ไม่ใช่การวัด IMF ของกาแล็กซีเหล่านั้นโดยตรง

หากรูปแบบการก่อตัวดาวที่เอนไปทางดาวมวลต่ำเกิดขึ้นเช่นเดียวกันในช่วงที่กาแล็กซีโบราณเหล่านั้นก่อตัว มวลจริงของพวกมันก็อาจมากกว่าค่าประเมินเบื้องต้นอย่างมีนัยสำคัญ และจะยิ่งเพิ่มความตึงเครียดให้กับแบบจำลองการก่อตัวกาแล็กซี ซึ่งต้องอธิบายทั้งการเติบโตอย่างรวดเร็วและการสะสมมวลดาวฤกษ์จำนวนมหาศาลในเวลาอันสั้น

ดาวมวลต่ำจำนวนมากอาจหมายถึงระบบดาวเคราะห์มากขึ้นหรือไม่

ดาวมวลต่ำมีอายุยืนยาวและอาจเป็นดาวแม่ของระบบดาวเคราะห์ได้ หากการก่อตัวดาวแบบ bottom-heavy เป็นเรื่องปกติในเอกภพยุคต้น ก็อาจมีดาวประเภทนี้เกิดขึ้นมากกว่าที่แบบจำลองซึ่งอิงทางช้างเผือกคาดไว้ ส่งผลให้จำนวนระบบดาวเคราะห์ที่อาจถือกำเนิดขึ้นในช่วงต้นของประวัติศาสตร์เอกภพมีโอกาสสูงขึ้น

แต่ข้อสรุปนี้ยังเป็นเพียงความเป็นไปได้ การศึกษาดังกล่าววัดประชากรดาวฤกษ์ ไม่ได้วัดจำนวนดาวเคราะห์หรืออัตราการเกิดดาวเคราะห์ ผลลัพธ์จึงบอกได้เพียงว่าอาจมีดาวฤกษ์มวลต่ำซึ่งเป็นเจ้าบ้านที่มีศักยภาพมากขึ้น ไม่ได้ยืนยันว่าดาวเหล่านั้นมีดาวเคราะห์บ่อยเพียงใด หรือดาวเคราะห์เหล่านั้นเอื้อต่อสิ่งมีชีวิตหรือไม่

ขั้นต่อไป: มองย้อนกลับไปใกล้ยุคดาวฤกษ์ดวงแรก

ขั้นต่อไปของทีมวิจัยคือใช้วิธีเดียวกันกับกาแล็กซีที่มีเรดชิฟต์สูงขึ้นเรื่อย ๆ โดยอาศัยสเปกตรัมที่ลึกมากและครอบคลุมช่วงคลื่นกว้างในกรอบอ้างอิงร่วมกับกาแล็กซี เพื่อทดสอบว่าส่วนเกินของดาวมวลต่ำยังคงพบใกล้ยุคกำเนิดดาวฤกษ์ดวงแรกหรือไม่

เมื่อเรดชิฟต์สูงขึ้น สัญญาณที่ไวต่อ IMF จะถูกเลื่อนไปอยู่ในช่วงอินฟราเรด ซึ่ง JWST สามารถตรวจวัดได้ การสังเกตในอนาคตจะช่วยตอบว่า IMF แบบ bottom-heavy เป็นคุณสมบัติเฉพาะของกาแล็กซีมวลสูงที่หยุดสร้างดาวแล้ว เป็นลักษณะทั่วไปของการก่อตัวดาวในเอกภพยุคต้น หรือเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาและสภาพแวดล้อมของเอกภพ

การมีข้อมูลครอบคลุมหลายช่วงคลื่นเป็นกุญแจสำคัญ เพราะแสงแต่ละช่วงบอกคุณสมบัติของกาแล็กซีแตกต่างกัน สัญญาณในอินฟราเรดใกล้ของกรอบอ้างอิงร่วมกับกาแล็กซีไวต่อร่องรอยของดาวแคระมวลต่ำที่ส่องแสงจาง ขณะที่สเปกตรัมช่วงแสงช่วยจำกัดอายุ ปริมาณโลหะ และสัดส่วนธาตุในดาวฤกษ์

เมื่อรวมข้อมูลทั้งสองชุด นักวิจัยจึงสามารถประเมิน “ฟังก์ชันมวลเริ่มต้น” หรือ IMF ซึ่งอธิบายว่าดาวฤกษ์เกิดขึ้นในแต่ละช่วงมวลมากน้อยเพียงใด แทนที่จะสมมติว่า IMF ของกาแล็กซีห่างไกลต้องเหมือนกับของทางช้างเผือก

กาแล็กซีทั้ง 9 แห่งมี IMF ที่เอนไปทางดาวมวลต่ำ

IMF แบบ bottom-heavy หมายถึงการก่อตัวของดาวฤกษ์ที่มีสัดส่วนดาวมวลต่ำมากกว่าการกระจายมวลที่พบโดยทั่วไปในทางช้างเผือก ดาวประเภทนี้มีความสว่างต่ำ แต่มีอายุยืนยาว และเมื่อรวมกันก็สามารถกักเก็บมวลไว้ได้มาก

ทีมวิจัยพบหลักฐานของ IMF แบบ bottom-heavy ในกาแล็กซีมวลสูงที่หยุดสร้างดาวแล้วทั้ง 9 แห่ง นั่นหมายความว่า หากนักวิจัยใช้แบบจำลองที่อิง IMF ของทางช้างเผือกเพื่อคำนวณมวลกาแล็กซี ก็อาจประเมินมวลดาวฤกษ์ทั้งหมดต่ำกว่าความเป็นจริง

กาแล็กซีที่เก่าแก่ที่สุดมีมวลเพิ่มขึ้น 3–4 เท่า

ผลกระทบชัดเจนเป็นพิเศษในกาแล็กซีที่เก่าแก่ที่สุด 2 แห่งของกลุ่มตัวอย่าง นักวิจัยมองว่ากาแล็กซีทั้งสองเป็นผู้สืบทอดโดยตรงของกาแล็กซีมวลสูงที่ JWST ตรวจพบว่าเติบโตเต็มที่ตั้งแต่เอกภพยังมีอายุน้อยมาก

เมื่อใช้ IMF ที่วัดได้ซึ่งมีดาวมวลต่ำเป็นสัดส่วนสูง มวลดาวฤกษ์ของกาแล็กซีทั้งสองเพิ่มขึ้นประมาณ 3–4 เท่าจากค่าประเมินเดิม

นี่ไม่ใช่เพียงการปรับตัวเลขเล็กน้อย แต่เปลี่ยนปริมาณสสารที่แบบจำลองการก่อตัวกาแล็กซีต้องอธิบาย โดยประชากรดาวฤกษ์หนึ่งในกาแล็กซีเก่าแก่นั้นอาจก่อตัวขึ้นภายในเวลาไม่ถึง 1,500 ล้านปีหลังบิกแบง ดังนั้นกาแล็กซีต้นกำเนิดของมันอาจต้องสะสมมวลดาวฤกษ์จำนวนมากกว่าที่เคยคิด และต้องทำให้เสร็จเร็วกว่าเดิมอีก

ทำไมผลลัพธ์นี้ทำให้ปัญหากาแล็กซียุคต้นยิ่งท้าทาย

JWST เคยพบกาแล็กซีมวลสูงและมีวิวัฒนาการแล้วในช่วงเวลาที่เอกภพยังอายุน้อยอย่างน่าประหลาดใจ ตัวอย่างหนึ่งคือ GS-9209 ซึ่งได้รับการยืนยันด้วยสเปกโทรสโกปีที่เรดชิฟต์ 4.658 เมื่อเอกภพมีอายุประมาณ 1,250 ล้านปี โดยมวลดาวฤกษ์ที่อนุมานได้อยู่ที่ประมาณ 3.8 × 10^10 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ภายใต้สมมติฐานที่ใช้ในการวิเคราะห์ครั้งนั้น

อย่างไรก็ตาม ผลการศึกษา IMF ครั้งใหม่นี้ไม่ได้วัดกาแล็กซีในช่วงไม่กี่ร้อยล้านปีแรกหลังบิกแบงโดยตรง แต่เป็นหลักฐานจากกาแล็กซีที่เรดชิฟต์ประมาณ 0.7 ซึ่งอาจเป็นผู้สืบทอดของกาแล็กซีที่ก่อตัวขึ้นในยุคแรกมาก การนำผลนี้ไปใช้กับกาแล็กซีที่ JWST พบในยุคแรกสุดจึงยังเป็นการอนุมาน ไม่ใช่การวัด IMF ของกาแล็กซีเหล่านั้นโดยตรง

หากรูปแบบการก่อตัวดาวที่เอนไปทางดาวมวลต่ำเกิดขึ้นเช่นเดียวกันในช่วงที่กาแล็กซีโบราณเหล่านั้นก่อตัว มวลจริงของพวกมันก็อาจมากกว่าค่าประเมินเบื้องต้นอย่างมีนัยสำคัญ และจะยิ่งเพิ่มความตึงเครียดให้กับแบบจำลองการก่อตัวกาแล็กซี ซึ่งต้องอธิบายทั้งการเติบโตอย่างรวดเร็วและการสะสมมวลดาวฤกษ์จำนวนมหาศาลในเวลาอันสั้น

ดาวมวลต่ำจำนวนมากอาจหมายถึงระบบดาวเคราะห์มากขึ้นหรือไม่

ดาวมวลต่ำมีอายุยืนยาวและอาจเป็นดาวแม่ของระบบดาวเคราะห์ได้ หากการก่อตัวดาวแบบ bottom-heavy เป็นเรื่องปกติในเอกภพยุคต้น ก็อาจมีดาวประเภทนี้เกิดขึ้นมากกว่าที่แบบจำลองซึ่งอิงทางช้างเผือกคาดไว้ ส่งผลให้จำนวนระบบดาวเคราะห์ที่อาจถือกำเนิดขึ้นในช่วงต้นของประวัติศาสตร์เอกภพมีโอกาสสูงขึ้น

แต่ข้อสรุปนี้ยังเป็นเพียงความเป็นไปได้ การศึกษาดังกล่าววัดประชากรดาวฤกษ์ ไม่ได้วัดจำนวนดาวเคราะห์หรืออัตราการเกิดดาวเคราะห์ ผลลัพธ์จึงบอกได้เพียงว่าอาจมีดาวฤกษ์มวลต่ำซึ่งเป็นเจ้าบ้านที่มีศักยภาพมากขึ้น ไม่ได้ยืนยันว่าดาวเหล่านั้นมีดาวเคราะห์บ่อยเพียงใด หรือดาวเคราะห์เหล่านั้นเอื้อต่อสิ่งมีชีวิตหรือไม่

ขั้นต่อไป: มองย้อนกลับไปใกล้ยุคดาวฤกษ์ดวงแรก

ขั้นต่อไปของทีมวิจัยคือใช้วิธีเดียวกันกับกาแล็กซีที่มีเรดชิฟต์สูงขึ้นเรื่อย ๆ โดยอาศัยสเปกตรัมที่ลึกมากและครอบคลุมช่วงคลื่นกว้างในกรอบอ้างอิงร่วมกับกาแล็กซี เพื่อทดสอบว่าส่วนเกินของดาวมวลต่ำยังคงพบใกล้ยุคกำเนิดดาวฤกษ์ดวงแรกหรือไม่

เมื่อเรดชิฟต์สูงขึ้น สัญญาณที่ไวต่อ IMF จะถูกเลื่อนไปอยู่ในช่วงอินฟราเรด ซึ่ง JWST สามารถตรวจวัดได้ การสังเกตในอนาคตจะช่วยตอบว่า IMF แบบ bottom-heavy เป็นคุณสมบัติเฉพาะของกาแล็กซีมวลสูงที่หยุดสร้างดาวแล้ว เป็นลักษณะทั่วไปของการก่อตัวดาวในเอกภพยุคต้น หรือเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาและสภาพแวดล้อมของเอกภพ