У ранніх масивних галактиках знайшли набагато більше маломасивних зір, ніж вважалося

Як проводили дослідження

Міжнародна команда під керівництвом Лейденського університету використала надглибокі спектри, отримані космічним телескопом Джеймса Вебба в межах програми JWST-IMFERNO, і поєднала їх із глибокими оптичними спектрами наземного Дуже великого телескопа (VLT), зібраними оглядом LEGA-C.

У центрі аналізу була початкова функція мас зір (IMF) — розподіл мас зір, які народжуються в галактиці. Замість припущення, що цей розподіл такий самий, як у Чумацькому Шляху, дослідники шукали спектральні ознаки слабкого світла маломасивних карликових зір.

Поєднання діапазонів спостережень дало змогу відокремити ознаки, чутливі до кількості карликових зір у ближньому інфрачервоному діапазоні, від характеристик, що розповідають про вік, металічність і вміст окремих елементів у зоряному населенні. До вибірки увійшли дев’ять масивних галактик на червоному зміщенні приблизно z = 0,7 — тобто об’єктів, світло яких ми бачимо таким, яким воно було приблизно шість–сім мільярдів років тому. На той момент ці галактики вже припинили активне утворення зір.

Що з’ясували астрономи

Усі дев’ять галактик виявилися такими, що мають «обтяжену знизу» початкову функцію мас: порівняно з Чумацьким Шляхом у них народилося значно більше слабких зір малої маси.

Такі зорі майже не впливають на загальну яскравість галактики, але можуть становити значну частину її зоряної маси. Тому оцінки, які розраховують масу, припускаючи розподіл зір, подібний до галактичного, здатні систематично недооцінювати справжню кількість речовини в ранніх галактиках.

Для двох найстаріших об’єктів — імовірних нащадків незвично зрілих галактик, які JWST спостерігав у дуже ранньому Всесвіті, — застосування виміряної IMF збільшило оцінену зоряну масу у 3–4 рази.

Чому це ускладнює загадку ранніх галактик

JWST уже виявив масивні, еволюційно зрілі галактики на дуже ранніх етапах космічної історії. Серед них є спектроскопічно підтверджені тихі галактики, що існували приблизно через 1,25 мільярда років після Великого вибуху. Їхнє несподівано швидке формування вже створює труднощі для сучасних моделей еволюції галактик.

Якщо ці галактики насправді містили у три-чотири рази більше зір, ніж показували попередні оцінки, проблема стає ще гострішою: їм довелося накопичити ще більшу масу за ще коротший час. Водночас важливо не перебільшувати висновок. Дослідження безпосередньо виміряло IMF для галактик на z ≈ 0,7. Зв’язок із системами, які могли існувати вже приблизно через 500 мільйонів років після Великого вибуху, є екстраполяцією, а не прямим вимірюванням IMF у галактик із z ≳ 10.

Можливий наслідок для пошуку планет

Якщо «обтяжене знизу» утворення зір було типовим для молодого Всесвіту, тоді в ньому народилося більше довгоживучих маломасивних зір, ніж передбачають моделі, засновані на IMF Чумацького Шляху. Саме такі зорі вважають головними потенційними господарями планетних систем. Отже, кількість планетних систем, що могли сформуватися на ранніх етапах космічної історії, потенційно була більшою — хоча ця робота безпосередньо не вимірювала частоту виникнення планет.

Що досліджуватимуть далі

Наступний крок — застосувати такий самий підхід із надглибокою спектроскопією та широким охопленням довжин хвиль до галактик із дедалі більшими червоними зміщеннями. У перспективі це дасть змогу перевірити, чи був надлишок маломасивних зір характерний і для найперших галактик, що сформувалися поблизу епохи появи перших зір. JWST може спостерігати відповідні IMF-чутливі ознаки в інфрачервоному діапазоні, куди їх зміщує розширення Всесвіту.