Svjetlost udaljene galaksije ne otkriva izravno koliko zvijezda ona sadrži ni kolika je njihova ukupna masa. Astronomi procjenu temelje na ukupnom sjaju i modelu koji opisuje koliko bi u galaksiji trebalo biti slabih zvijezda koje teleskop ne može pojedinačno razlučiti. Analiza 110 zvjezdanih skupova u Mliječnoj stazi pokazala je da ta raspodjela nije ista od skupa do skupa, pa se isti model ne može automatski primijeniti na svaku galaksiju.
Svjetlost galaksije ne otkriva sve zvijezde
U područjima gdje nastaju zvijezde ne rađa se jednak broj zvijezda svih masa. Zvijezde male mase čine brojčanu većinu, dok su masivne zvijezde rjeđe, ali znatno sjajnije i kraće žive.
Udaljene galaksije teleskopi najčešće ne vide kao skup pojedinačnih zvijezda. Njihova se svjetlost stapa u jednu cjelinu, pri čemu je velik dio zračenja posljedica najmasivnijih zvijezda. Istodobno, slabije zvijezde male mase, koje čine velik dio ukupne zvjezdane mase, ostaju izvan izravnog opažanja.
Astronomi zato koriste početnu funkciju mase, odnosno IMF. Ona opisuje raspodjelu masa zvijezda u trenutku njihova nastanka. Ako se pretpostavi da je IMF svugdje ista, iz broja sjajnih zvijezda može se procijeniti koliko je slabih zvijezda prisutno u galaksiji i kolika je njezina zvjezdana masa.
Upravo je ta pretpostavka bila u središtu novog istraživanja.
Gaia je usporedila 110 zvjezdanih skupova
Misija Gaia omogućila je vrlo precizna mjerenja položaja, udaljenosti i svojstava golemog broja zvijezda. Podaci obuhvaćaju gotovo dvije milijarde zvijezda i tisuće zvjezdanih skupova u Mliječnoj stazi.
Istraživači sa Sveučilišta Missouri krenuli su od kataloga 7.167 skupova, a zatim su izdvojili 110 onih s dovoljno kvalitetnim podacima i dovoljno velikim brojem zvijezda za pouzdanu analizu.
Zvjezdani skupovi posebno su korisni jer su njihove zvijezde nastale približno u isto vrijeme i iz istog molekularnog oblaka. To omogućuje usporedbu različitih populacija zvijezda i ispitivanje rađaju li se one uvijek prema istom obrascu.
Istraživači nisu samo prebrojili zvijezde koje se danas nalaze u svakom skupu. Masivne zvijezde tijekom vremena umiru, a gravitacijske interakcije mogu izbaciti dio zvijezda male mase. Zbog toga se današnja raspodjela masa razlikuje od one koja je postojala pri nastanku skupa.
Kako bi odvojili te kasnije promjene od početne raspodjele, istraživači su analizirali takozvanu prijelomnu masu. Riječ je o vrijednosti pri kojoj se mijenja oblik raspodjele zvijezda različitih masa.
Prema modelu korištenom u istraživanju, zvjezdana evolucija i gravitacijske interakcije mogu promijeniti nagibe te raspodjele, ali ne mijenjaju znatno prijelomnu masu. Ako se prijelomna masa razlikuje između skupova, razlika se zato ne može jednostavno pripisati njihovoj kasnijoj evoluciji.
U uzorku od 110 skupova prijelomne mase znatno su se razlikovale. Rezultat je u skladu sa zaključkom da početna funkcija mase nije univerzalna, nego da se razlikuje između različitih zvjezdanih populacija.
Razlike ne objašnjava samo starost skupova
U podacima se pojavila povezanost između prijelomne mase i starosti zvjezdanih skupova. Stariji skupovi uglavnom su nastali u drukčijem razdoblju od mlađih, pa bi se moglo pretpostaviti da su razlike posljedica dugotrajnog gubitka zvijezda i drugih procesa koji se događaju tijekom njihova razvoja.
Međutim, upravo su ti procesi u analizi odvojeni od početne funkcije mase. Budući da prema primijenjenom modelu ne mijenjaju prijelomnu masu, autori rezultat tumače promjenama u prosječnim uvjetima molekularnih oblaka iz kojih su se skupovi oblikovali.
Takvi se oblaci razlikuju po temperaturi, gustoći i drugim fizičkim svojstvima. Ako su se ti uvjeti mijenjali kroz povijest Mliječne staze, tada su se mijenjali i omjeri zvijezda različitih masa koje su iz njih nastajale.
To je tumačenje podataka, a ne izravna snimka drevnih molekularnih oblaka. Gaia je izmjerila zvijezde u današnjim skupovima, dok se o uvjetima u kojima su nastale zaključuje iz njihove starosti, raspodjele masa i modela njihove evolucije.
Širi kontekst područja u kojima se zvijezde rađaju u našoj galaksiji objašnjen je u tekstu o glavnom području stvaranja zvijezda u Mliječnoj stazi.
Udaljene galaksije traže preciznije modele
Otkriće je važno zato što astronomi početnu funkciju mase koriste i pri proučavanju vrlo udaljenih galaksija. U tim galaksijama ne mogu pojedinačno prebrojiti većinu zvijezda male mase, pa se oslanjaju na pretpostavljeni odnos između sjaja i zvjezdane mase.
Ako taj odnos ovisi o uvjetima u kojima su se zvijezde formirale, primjena istog modela na sve galaksije može utjecati na procjene njihove zvjezdane mase, brzine stvaranja zvijezda i drugih svojstava.
To je posebno važno za galaksije iz ranog svemira koje promatra svemirski teleskop James Webb. O neobično velikim procijenjenim masama nekih takvih galaksija već smo pisali u tekstu o galaksijama koje su nakon Webbovih promatranja izgledale masivnije nego što se očekivalo.
Novi rezultat ne znači da su dosadašnje procjene masa galaksija automatski pogrešne. Istraživanje nije izravno analiziralo galaksije koje promatra James Webb, nego je u Mliječnoj stazi pronašlo dokaz da pretpostavka o jedinstvenoj početnoj funkciji mase nije dovoljno čvrsta.
Riječ je o zvjezdanoj masi, odnosno masi svih zvijezda u galaksiji, a ne o njezinoj ukupnoj masi koja uključuje i tamnu tvar. Autori zato ne predlažu odbacivanje IMF-a, nego njegovu prilagodbu različitim uvjetima u kojima nastaju zvijezde.
Procjena zvjezdane mase iz svjetlosti tako više ne može ovisiti samo o tome koliko galaksija sjaji. Mora uzeti u obzir i kakva je raspodjela masa zvijezda mogla nastati u okolišu iz kojeg je ta galaksija oblikovana.
