Duboki spektri devet masivnih galaksija pokazali su da u njima postoji mnogo veći udio zvijezda male mase nego što se dosad pretpostavljalo. Kod najstarijih sustava to povećava procijenjenu zvjezdanu masu približno tri do četiri puta i dodatno otežava objašnjenje kako su velike galaksije nastale tako rano.
Astronomi su godinama procjenjivali masu udaljenih galaksija pod pretpostavkom da se zvijezde različitih masa rađaju u približno istim omjerima kao u Mliječnoj stazi. Novi rezultat Svemirskog teleskopa James Webb pokazuje da ta pretpostavka ne vrijedi barem za neke od najmasivnijih galaksija i da se u njima krije mnogo veći broj slabih zvijezda male mase nego što se dosad računalo.
Međunarodni tim predvođen Chloe Cheng sa Sveučilišta u Leidenu proučio je devet masivnih galaksija koje više gotovo ne stvaraju nove zvijezde. Istraživači su kombinirali iznimno duboke spektre Webbova instrumenta NIRSpec s ranijim opažanjima Vrlo velikog teleskopa Europskog južnog opservatorija. Rezultati, objavljeni u časopisu Nature Astronomy, donose prvi pouzdan uvid u udio zvijezda male mase izvan lokalnog svemira.
Važna je pritom jedna razlika. Tim nije izravno prebrojavao pojedinačne zvijezde u galaksijama iz prvih nekoliko stotina milijuna godina svemira. Promatrane galaksije nalaze se na crvenom pomaku oko 0,7, ali njihove stare zvjezdane populacije čuvaju zapis o tome s kakvim su se omjerom rađale zvijezde. Najstarije među njima nastale su vrlo rano, a autori ih smatraju izravnim potomcima iznimno masivnih galaksija kakve Webb pronalazi u mladom svemiru.
Zvijezde koje gotovo ne vidimo nose velik dio mase
Kada astronomi procjenjuju masu galaksije iz njezine svjetlosti, najveći problem predstavljaju zvijezde male mase. One su mnogo slabije od masivnih zvijezda, ali mogu biti vrlo brojne i zajedno nositi velik dio ukupne zvjezdane mase.
Odnos u kojem se rađaju zvijezde različitih masa opisuje se raspodjelom početnih masa zvijezda, poznatom kao početna funkcija mase ili IMF. Uobičajeni modeli za udaljene galaksije često polaze od raspodjele slične onoj u Mliječnoj stazi. Astronomi zato iz lakše vidljivih zvijezda zaključuju koliko bi u pozadini trebalo biti njihovih mnogo slabijih susjeda.
Cheng taj problem uspoređuje s pogledom na grad iz velike udaljenosti. Visoke zgrade odmah se ističu, dok su mnogo brojnije kuće između njih gotovo nevidljive. U galaksiji su te “kuće” zvijezde male mase. Webbovi spektri pokazuju da ih u najmasivnijim promatranim galaksijama ima znatno više nego što bi se očekivalo prema raspodjeli karakterističnoj za Mliječnu stazu.
Webb je prvi put izmjerio njihov skriveni doprinos
Zvijezde male mase ne mogu se pojedinačno razlučiti u tako udaljenim galaksijama. Njihovo postojanje otkriva se preko vrlo suptilnih obilježja u zajedničkom spektru cijele galaksije, odnosno preko valnih duljina na kojima hladnije zvijezde ostavljaju prepoznatljiv trag.
Takvo mjerenje donedavno nije bilo dovoljno precizno. Program JWST-IMFERNO omogućio je iznimno duboku spektroskopiju devet masivnih galaksija, a istraživači su Webbove podatke proširili prema kraćim valnim duljinama dubokim spektrima projekta LEGA-C s Vrlo velikog teleskopa. “Mjerenja poput ovih donedavno jednostavno nisu bila moguća”, rekla je suautorica Martje Slob sa Sveučilišta u Leidenu.
Rezultat nije jednak za sve galaksije. Što je galaksija masivnija, to podaci snažnije upućuju na raspodjelu u kojoj postoji veći udio zvijezda male mase. Kod najstarijih dviju galaksija u uzorku učinak je posebno velik. Kada se njihov skriveni doprinos uključi u izračun, procijenjena zvjezdana masa raste približno tri do četiri puta.
Problem ranih masivnih galaksija postaje još veći
Webb je od početka svojih znanstvenih promatranja pronalazio galaksije koje su u mladom svemiru već bile neočekivano masivne i razvijene. To je otvorilo pitanje kako je dovoljno plina moglo biti pretvoreno u zvijezde u tako kratkom vremenu. Kozmos.hr je ranije pisao i o tome kako su se prve procjene njihovih masa mijenjale kako su stizala preciznija opažanja.
Novi rezultat sada taj problem promatra iz drugog smjera. Ako su rani prethodnici najstarijih galaksija doista imali sličnu raspodjelu zvjezdanih masa, njihove stvarne mase mogle su biti nekoliko puta veće od dosadašnjih procjena. Za najstariju galaksiju u uzorku istraživači navode da je vjerojatno formirala zvijezde manje od 1,5 milijardi godina nakon Velikog praska i da bi njezina masa mogla biti približno četiri puta veća nego što se zaključivalo uz standardnu pretpostavku.
To dodatno povećava pritisak na modele nastanka galaksija. Nije dovoljno objasniti kako su se vrlo rano pojavile velike galaksije. Modeli bi morali objasniti i kako su u kratkom vremenu proizvele golem broj dugovječnih zvijezda male mase koje daju malo svjetlosti, ali nose mnogo mase. Nedavno otkriće skupine od najmanje pet galaksija koje su se spajale samo 800 milijuna godina nakon Velikog praska već je pokazalo koliko je rast prvih velikih sustava mogao biti brz.
Sljedeći korak vodi još dublje u prošlost
Nalaz ne znači da je svaka rana galaksija četiri puta masivnija nego što se dosad mislilo. Uzorak obuhvaća devet masivnih sustava, a istraživači tek planiraju primijeniti istu metodu na još udaljenije galaksije. Ipak, rezultat izravno dovodi u pitanje jednu od osnovnih pretpostavki koja se koristi pri pretvaranju svjetlosti udaljenih galaksija u njihove mase.
Posljedice mogu prijeći granice samog problema nastanka galaksija. Zvijezde male mase žive iznimno dugo, a oko njih se često nalaze planeti. Mariska Kriek sa Sveučilišta u Leidenu zato ističe da bi veći broj takvih zvijezda mogao značiti i da su planetarni sustavi u ranom svemiru bili brojniji nego što se dosad pretpostavljalo.
Sljedeći cilj je isto mjerenje približiti još ranijim epohama, prema vremenu u kojem su se oblikovale prve generacije zvijezda i galaksija. Nedavno smo pisali o potrazi za upravo tim prvim zvjezdanim populacijama. Ako se pokaže da je raspodjela bogata zvijezdama male mase bila uobičajena i među najranijim Webbovim galaksijama, procjene njihove mase morat će se ponovno otvoriti.
