JWST виявив приховані маломасивні зорі: ранні галактики можуть бути вчетверо масивнішими

Астрономи виявили приховане джерело маси у віддалених зрілих галактиках: тьмяні маломасивні зорі. Кожна з них випромінює небагато світла, однак разом вони можуть становити значну частину зоряної маси галактики. У дослідженні дев’яти масивних галактик, що майже припинили утворювати зорі, на червоному зміщенні приблизно 0,7 міжнародна команда під керівництвом Лейденського університету виявила надлишок таких зір порівняно з популяцією, типовою для Чумацького Шляху.

Як дослідники побачили «невидимі» зорі

Команда поєднала надглибокі спектри ближнього інфрачервоного діапазону, отримані інструментом NIRSpec космічного телескопа Джеймса Вебба, з глибокими оптичними спектрами на коротших довжинах хвиль із огляду LEGA-C, виконаного за допомогою Дуже Великого Телескопа (VLT). LEGA-C охоплює галактики з червоним зміщенням приблизно 0,6–1,0, зокрема масивні системи, подібні до об’єктів цього дослідження.

Такий широкий діапазон спостережень принципово важливий: різні ділянки спектра розповідають про різні властивості галактики. Ознаки у ближньому інфрачервоному діапазоні, приведені до системи відліку галактики, чутливі до внеску тьмяних карликових зір. Оптичний спектр допомагає визначити вік галактики, її металічність і співвідношення хімічних елементів.

Завдяки об’єднанню цих даних астрономи змогли оцінити початкову функцію мас — розподіл мас зір на момент їхнього народження, — замість того щоб автоматично припускати, що він такий самий, як у Чумацькому Шляху.

У галактиках переважають маломасивні зорі

Початкова функція мас, або IMF, описує, скільки зір різної маси утворюється. «Важка знизу» IMF означає, що в популяції непропорційно багато маломасивних зір порівняно з розподілом, подібним до того, що спостерігається в Чумацькому Шляху.

Дослідники знайшли ознаки такого розподілу в усіх дев’яти масивних спокійних галактиках. Маломасивні зорі тьмяні, тому в звичайних спостереженнях їхній внесок легко не помітити. Водночас вони живуть дуже довго і разом додають галактиці значну масу.

Якщо масу далекої галактики оцінювати за допомогою IMF, подібної до Чумацького Шляху, хоча насправді її розподіл «важкий знизу», загальну зоряну масу буде занижено.

Дві найстаріші галактики виявилися у 3–4 рази масивнішими

Найпомітніший ефект стосується двох найстаріших об’єктів вибірки. Їх вважають прямими нащадками незвично ранніх зрілих галактик, які відкрив JWST. Якщо застосувати виміряну «важку знизу» IMF, оцінена зоряна маса цих двох галактик зростає у 3–4 рази.

Це не просто невелике уточнення. Такий результат змінює кількість речовини, яку моделі формування галактик мають пояснити за дуже короткий відрізок космічної історії. Одна з давніх зоряних популяцій, імовірно, сформувалася менш ніж через 1,5 мільярда років після Великого вибуху. Отже, її попередниця мала накопичити ще більшу зоряну масу — і зробити це ще швидше, ніж припускали попередні оцінки.

Чому це посилює проблему ранніх галактик

JWST уже виявив масивні еволюціоновані галактики, що існували на дивно ранніх етапах розвитку Всесвіту. Наприклад, галактику GS-9209 спектроскопічно підтвердили на червоному зміщенні 4,658 — у час, коли Всесвіту було приблизно 1,25 мільярда років. Її зоряну масу оцінили приблизно у 3,8 × 10¹⁰ мас Сонця на основі припущень, використаних у тому аналізі.

Нове дослідження не вимірює безпосередньо функцію початкових мас галактик, які існували в перші кількасот мільйонів років після Великого вибуху. Воно показує, що на червоному зміщенні близько 0,7 деякі нащадки дуже ранніх галактик містять більше маломасивних зір, ніж очікувалося. Перенесення цього висновку на найдавніші галактики JWST є припущенням, а не прямим вимірюванням їхньої IMF.

Якщо такий самий спосіб утворення зір із перевагою малих мас діяв і під час формування древніх галактик, їхня справжня зоряна маса могла бути істотно більшою за початкові оцінки. Це посилює виклик для моделей формування галактик: їм потрібно пояснити не лише появу зрілих систем на ранньому етапі, а й те, як вони встигли накопичити ще більше зір за надзвичайно короткий час.

Чи означає це більше планет у ранньому Всесвіті?

Маломасивні зорі живуть дуже довго і можуть бути центрами планетних систем. Якщо «важкий знизу» спосіб утворення зір був поширеним у молодому Всесвіті, таких зір могло народитися більше, ніж передбачають стандартні оцінки на основі Чумацького Шляху. Відповідно, могла зрости й оцінка кількості планетних систем, що існували на ранніх етапах космічної історії.

Однак цей висновок залишається гіпотезою. Дослідження вимірювало зоряні популяції, а не планети чи частоту їхнього утворення. Воно показує лише, що потенційних довгоживучих зоряних «господарів» могло бути більше; воно не встановлює, як часто навколо них формувалися планети і чи могли ці планети бути придатними для життя.

Наступний крок — ще давніші галактики

Далі дослідники планують застосувати ту саму стратегію до галактик із дедалі більшими червоними зміщеннями. Поєднання дуже глибоких спектрів у широкому діапазоні довжин хвиль дасть змогу перевірити, чи зберігається надлишок маломасивних зір ближче до епохи появи перших зір. На достатньо великих червоних зміщеннях ознаки, чутливі до IMF, зміщуються в інфрачервону ділянку, доступну для спостережень JWST.

Такі вимірювання допоможуть з’ясувати, чи є «важка знизу» IMF характерною лише для масивних спокійних галактик цього дослідження, чи вона була ширшою особливістю раннього зореутворення, а також чи змінювалася з космічним часом і навколишнім середовищем.