韦布望远镜发现“隐形”低质量恒星：早期星系质量或被低估至多四倍

天文学家发现，遥远成熟星系中可能藏着一大笔此前没有被充分计入的质量：大量光线微弱的低质量恒星。它们对星系总亮度贡献不大，却能在漫长时间里累积出可观的恒星质量。

莱顿大学领衔的国际团队研究了九个红移约为0.7的高质量、静止星系，发现这些星系中的低质量恒星都多于按照银河系恒星分布推断的数量。换言之，研究人员找到了“底重型”初始质量函数的证据。

两套望远镜光谱如何捕捉“隐藏”恒星

研究团队将詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）NIRSpec仪器获取的超深光谱，与欧洲南方天文台甚大望远镜（VLT）LEGA-C巡天的深度蓝光光谱结合起来。LEGA-C主要观测红移约0.6至1.0的星系，其中包括与此次目标样本相近的高质量系统。

这种覆盖较宽波段的观测组合至关重要。星系光谱不同部分记录着不同信息：星系静止系的近红外特征对微弱矮恒星的贡献较敏感，而光学特征则有助于约束星系的年龄、金属丰度和元素丰度。

通过联合分析这些数据，研究人员得以估计恒星“初始质量函数”（IMF）——也就是恒星诞生时不同质量恒星的数量分布，而不是简单假设所有星系都遵循与银河系相同的恒星分布。

什么是“底重型”初始质量函数？

初始质量函数描述一批恒星形成时，各种质量恒星所占的比例。所谓“底重型”，是指低质量恒星所占比例高于通常用于估算星系质量的银河系类分布。

低质量恒星通常较暗，在普通观测中很容易被更明亮的恒星掩盖。但它们寿命很长，而且数量一多，就会贡献相当可观的质量。如果研究人员仍使用银河系类初始质量函数来估算一个实际上更“底重型”的遥远星系，就会低估其中的恒星总质量。

团队在九个高质量、静止星系中都发现了这种趋势。研究结果显示，这些星系含有超出银河系标准的低质量恒星群体。

两个最古老星系的质量增加三至四倍

这一影响在样本中最古老的两个星系身上尤为明显。它们被认为是JWST发现的那些异常早熟星系的直接后代。按照此次测得的底重型初始质量函数重新估算后，这两个星系的恒星质量提高了三至四倍。

这并不是一次可以忽略的小修正。一个古老恒星群体可能在宇宙大爆炸后不到15亿年时就已经形成，这意味着其祖先星系必须在更短时间内、以比此前估计更快的速度，组装出更多恒星质量。

JWST的“早熟星系难题”更加尖锐

JWST已经发现，在宇宙非常年轻的时期，某些星系就已拥有很高质量并停止大规模形成恒星。例如，静止星系GS-9209已被光谱确认处于红移4.658，对应的大爆炸后时间约为12.5亿年。根据当时采用的假设，其推断恒星质量约为3.8×10¹⁰个太阳质量。

此次研究并没有直接测量大爆炸后最初几亿年、或红移10以上星系的初始质量函数。它提供的是红移约0.7处的证据：一些非常早期星系的后代，可能含有比预期更多的低质量恒星。因此，把这一结果延伸到最早期JWST星系，仍属于推断，而不是对这些星系初始质量函数的直接测量。

如果早期星系形成恒星时也普遍遵循类似的底重型模式，那么它们的真实恒星质量可能明显高于最初估计。这将进一步加大星系形成模型面临的压力：模型不仅要解释成熟高质量星系为何如此早就出现，还要解释它们如何在更短时间内组装出更多恒星。

低质量恒星更多，早期行星也可能更多？

低质量恒星寿命很长，也可能成为行星系统的宿主。如果底重型恒星形成在年轻宇宙中相当普遍，那么早期形成的这类恒星数量可能比银河系类假设所推断的更多。由此，宇宙早期可能存在的行星系统数量估计也可能上调。

不过，这一含义目前仍属推测。此次研究测量的是恒星群体，而不是行星数量或行星出现率。它说明潜在的低质量恒星宿主可能更多，但不能证明这些恒星多大比例拥有行星，也不能说明那些行星是否适宜生命存在。

下一步：把方法推进到更早的宇宙

研究人员接下来计划把同样的观测策略应用到更高红移的星系。通过获得覆盖更宽静止系波段的超深光谱，他们可以检验低质量恒星超额现象是否一直延续到更接近第一批恒星诞生的时代。

随着红移升高，对初始质量函数敏感的光谱特征会被移入红外波段，而JWST正能观测这些波长。未来的测量将帮助研究人员判断：底重型初始质量函数究竟只是此次研究的高质量静止星系所具有的特征，还是早期恒星形成的普遍现象，又或者它会随宇宙时间和星系环境而变化。