James Webb gözlemleri: Erken galaksiler sanılandan üç kat daha ağır olabilir

Leiden Üniversitesi öncülüğündeki uluslararası ekip, James Webb Uzay Teleskobu’nun (JWST) son derece derin NIRSpec tayflarını, ESO’nun Çok Büyük Teleskobu’ndaki (VLT) LEGA-C taramasının daha mavi dalga boylarındaki verileriyle birleştirerek dokuz büyük galaksiyi inceledi. Yaklaşık 0,7 kırmızıya kaymada bulunan bu galaksiler, yıldız oluşumunu daha önce bırakmış, yani “sönmüş” ya da quiescent galaksilerdi.

Araştırmanın temel sonucu şu: Bu galaksilerde, Samanyolu’ndaki yıldız doğum dağılımı esas alınarak tahmin edilenden çok daha fazla düşük kütleli yıldız bulunuyor. Bu durum, yıldızların başlangıç kütle dağılımını tanımlayan başlangıç kütle fonksiyonunun (IMF) “alt-ağır” (bottom-heavy) olduğunu gösteriyor.

Ekip galaksilerin kütlesini nasıl ölçtü?

Gökbilimciler çoğu galaksinin yıldız kütlesini hesaplarken, yıldızların doğum kütlelerinin Samanyolu’ndakine benzer bir dağılım izlediğini varsayar. Ancak düşük kütleli cüce yıldızlar çok sönük oldukları için doğrudan gözlenmeleri zordur. Buna karşın bu yıldızların tayflarda bıraktığı belirli soğurma izleri, toplam nüfus içindeki paylarını ortaya çıkarabilir.

Ekip, JWST/NIRSpec’in galaksilerin geri kalan-dalga boyu yakın kızılötesindeki hassas ölçümlerini, VLT LEGA-C’nin optik tayflarıyla birlikte değerlendirdi. Yakın kızılötesi veriler düşük kütleli cüce yıldızlara duyarlı izleri ayırt ederken, optik tayflar galaksilerin yaşını, metal bolluğunu ve çeşitli elementlerin dağılımını sınırlamaya yardımcı oldu. Böylece araştırmacılar, yalnızca parlak yıldızlara bakmak yerine galaksilerin yıldız nüfusunu daha bütünlüklü biçimde modelleyebildi.

Dokuz galakside düşük kütleli yıldız fazlalığı

İncelenen dokuz galaksinin tamamında Samanyolu’na kıyasla daha “alt-ağır” bir IMF bulundu. Başka bir deyişle, bu galaksilerde doğum kütlesi düşük, ışığı sönük yıldızların sayısı beklenenden daha fazlaydı.

Bu sonuç önemli çünkü cüce yıldızlar galaksinin toplam ışığına çok az katkı yapar; ancak sayıları fazla olduğunda yıldız kütlesinin büyük bir bölümünü oluşturabilirler. Samanyolu benzeri bir IMF varsayımıyla yapılan standart hesaplamalar bu nedenle galaksilerin gerçek yıldız kütlesini olduğundan düşük gösterebilir.

Özellikle örnekteki en yaşlı iki galakside, ölçülen alt-ağır IMF hesaba katıldığında yıldız kütlesi tahminleri üç ila dört kat yükseliyor. Bu iki nesne, JWST’nin Evren’in çok erken dönemlerinde gözlediği ve oluşum hızları nedeniyle “imkânsız derecede erken” olarak anılan galaksilerin sonraki evrelerdeki doğrudan soyundan geliyor.

Erken Evren bilmecesi neden büyüyor?

JWST, Evren henüz çok gençken büyük ve evrimini tamamlamış galaksilerin varlığına dair kanıtları artırdı. Örneğin GS-9209 adlı büyük, yıldız oluşumu durmuş galaksi, Büyük Patlama’dan yaklaşık 1,25 milyar yıl sonrasına karşılık gelen 4,658 kırmızıya kaymada tayfsal olarak doğrulandı.

Bu tür galaksilerin mevcut modellerin öngördüğünden daha hızlı oluşmuş görünmesi, galaksi oluşumu kuramları için zaten bir sorun oluşturuyordu. Eğer bu galaksilerdeki düşük kütleli yıldızların sayısı önceki varsayımlardan çok daha fazlaysa, galaksilerin gerçek yıldız kütlesi de artıyor. Bu da onların daha kısa sürede daha fazla maddeyi yıldızlara dönüştürmüş olması gerektiği anlamına geliyor ve kuramlarla gözlemler arasındaki gerilimi daha da güçlendiriyor.

Araştırmacıların en eski iki galaksinin daha da erken dönemlerdeki atalarıyla kurduğu bağlantı, yaklaşık 500 milyon yıl yaşındaki “imkânsız derecede erken” sistemlere yönelik bir çıkarımdır. Bu çalışmada IMF için doğrudan ve güçlü ölçümler yaklaşık 0,7 kırmızıya kaymadaki galaksilerden geliyor; kırmızıya kayması 10’un üzerindeki galaksilerde henüz doğrudan bir IMF ölçümü yapılmış değil.

Daha fazla yıldız, daha fazla gezegen olasılığı mı?

Düşük kütleli yıldızlar çok uzun ömürlü oldukları ve gezegen sistemlerine ev sahipliği yapabilecek başlıca yıldız türleri arasında yer aldıkları için sonuçların gezegen oluşumu açısından da bir sonucu olabilir. Eğer alt-ağır yıldız oluşumu genç Evren’de yaygınsa, erken dönemde daha önce tahmin edilenden fazla uzun ömürlü yıldız ve dolayısıyla daha fazla gezegen sistemi oluşmuş olabilir. Ancak bu çalışma gezegenlerin görülme sıklığını doğrudan ölçmüyor; yalnızca yıldız nüfusunun kütle dağılımına ilişkin bir sonuç sunuyor.

Sıradaki adım: Daha uzak galaksiler

Ekip, aynı geniş dalga boyu aralığını ve son derece derin tayfsal yaklaşımı daha yüksek kırmızıya kaymalı galaksilere uygulamayı planlıyor. Amaç, düşük kütleli yıldız fazlalığının ilk yıldızların ortaya çıktığı döneme kadar uzanıp uzanmadığını test etmek. Evren genişledikçe bu yıldızların tayfsal izleri daha uzun kızılötesi dalga boylarına kayıyor; JWST de bu izleri gözlemek için gereken kızılötesi duyarlılığı sağlıyor.

Bu ölçümler, erken galaksilerin yalnızca ne kadar hızlı büyüdüğünü değil, aynı zamanda bu büyümenin ne kadarının bugün hâlâ çok sönük olan düşük kütleli yıldızlarda saklı kaldığını da gösterebilir.