九個沉寂星系的低質量恆星，可能讓它們比估算重上四倍

研究團隊如何看見「看不見」的質量？

恆星並不是以單一質量誕生。天文學家用「恆星初始質量函數」（initial mass function，IMF）描述一個星系在形成恆星時，各種質量恆星所占的比例。過去估算遙遠星系的恆星質量時，常會假設它們遵循與銀河系相近的 IMF。

但低質量矮星雖然數量多、壽命長，單顆亮度卻非常微弱，因此不容易直接從星系總光度辨認。由萊頓大學領導的國際團隊，改以能捕捉這些矮星留下的吸收特徵的超深光譜，測量九個紅移約 0.7、已停止形成恆星的大質量星系。

團隊把詹姆斯・韋伯太空望遠鏡（JWST）近紅外光譜儀 NIRSpec 所取得的超深光譜，與地面甚大望遠鏡（VLT）LEGA-C 計畫的深層藍光光學光譜結合。較寬的波長範圍，讓研究人員能在星系的靜止系近紅外波段尋找對低質量恆星敏感的特徵，同時利用光學波段約束恆星年齡、金屬量及元素豐度。

九個星系都呈現「底重型」初始質量函數

結果顯示，九個星系的 IMF 全都比銀河系更「底重型」（bottom-heavy）。這不是說它們缺少大質量恆星，而是相較於銀河系般的恆星出生質量分布，它們含有更多低質量、微弱發光的恆星。

這項差異會直接影響星系質量的估算。低質量恆星對總光度貢獻不大，卻可能占據相當可觀的恆星質量；若仍用銀河系 IMF 外推，便可能低估星系真正包含的恆星總質量。

樣本中最古老的兩個星系，被認為是 JWST 所發現、形成時間異常早的成熟星系之後裔。若以這次測得的底重型 IMF 重新計算，它們的恆星質量會增加約三至四倍。

早期星系的形成難題因此更尖銳

其中一個古老星系的恆星族群，很可能在大爆炸後不到 15 億年便已形成。若它的後裔在形成恆星時也遵循類似的底重型 IMF，這代表早期星系必須在比原先估算更短的時間內，組裝出更多恆星質量。

JWST 已經發現多個在宇宙極早期便十分大且演化成熟的星系，包括一個在大爆炸後約 12.5 億年、已由光譜確認的沉寂星系。 這些發現本已對星系形成模型造成壓力；如今若它們的真實質量還要上修，問題只會更加嚴重，而不是獲得解答。

不過，必須區分觀測結果與推論：本研究最可靠的 IMF 測量來自紅移約 0.7 的九個星系，並不是直接測量紅移大於約 10 的「不可能如此早」星系。將結果延伸到大爆炸後約 5 億年內的最早期系統，目前仍屬於科學上的外推。

這是否意味著早期宇宙可能有更多行星？

如果底重型的恆星形成在年輕宇宙中相當普遍，早期便可能誕生更多長壽命的低質量恆星。這類恆星被視為潛在行星宿主，因此宇宙早期形成的行星系統數量估算或許也會上升。

但這項研究並沒有直接測量行星出現率，行星含量只是由恆星數量分布推導出的可能影響，不能視為已獲證實的行星統計結果。

下一步，研究人員計畫把同樣的超深、寬波段靜止系光譜方法，應用到更高紅移的星系，逐步逼近第一批恆星形成的時代。隨著宇宙膨脹，關鍵的 IMF 光譜特徵會移到可由 JWST 觀測的紅外波段；未來觀測將檢驗低質量恆星過量是否也存在於最早期星系。