Nová studie publikovaná v časopise Nature Astronomy nyní naznačuje, že problém možná není menší, než se zdálo. Mohl by být naopak podstatně větší. Astronomové totiž našli důkazy, že masivní galaxie obsahovaly mnohem více malých a slabých hvězd, než se při výpočtech jejich hmotnosti předpokládalo.
Pokud podobné hvězdné složení měly také jejich velmi vzdálené předchůdkyně, některé z raných galaxií mohly mít troj- až čtyřnásobně větší hvězdnou hmotnost, než jim dnes připisujeme.
Nejtěžší hvězdy jsou vidět. Ty nejpočetnější se mohou schovat
Určit hmotnost galaxie vzdálené miliardy světelných let není totéž jako položit ji na kosmickou váhu. Astronomové sledují její světlo a z něj rekonstruují, jaké hvězdy pravděpodobně obsahuje. Zásadní roli přitom hraje takzvaná počáteční hmotnostní funkce neboli IMF, která popisuje, kolik hvězd různých hmotností při hvězdotvorbě vzniká.
V naší Galaxii vzniká velké množství relativně malých hvězd a mnohem méně skutečných obrů. Problém spočívá v tom, že právě malé hvězdy jsou velmi slabé. Mohou představovat významnou část hmotnosti celé galaxie, ale na jejím celkovém světle se podílejí nepoměrně méně. Jasnější a hmotnější hvězdy je jednoduše přesvítí.
Při studiu velmi vzdálených galaxií proto astronomové obvykle nemohou malé hvězdy jednotlivě pozorovat. Jejich počet musejí odhadovat a dlouho přitom vycházeli z předpokladu, že rozdělení hvězdných hmotností je přibližně podobné tomu, které známe z Mléčné dráhy.
A právě tento předpoklad nyní dostal nepříjemnou trhlinu.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Webb se podíval na devět galaxií, které už přestaly vyrábět hvězdy
Tým vedený Chloe M. Chengovou z Leiden Observatory využil mimořádně hluboká spektra získaná přístrojem NIRSpec na teleskopu Jamese Webba. Výzkumníci sledovali devět masivních klidových galaxií s rudým posuvem přibližně 0,7, tedy objektů, které pozorujeme v době, kdy byl vesmír podstatně mladší než dnes.
Data z Webba doplnili spektroskopickými pozorováními z programu LEGA-C pořízenými pomocí Very Large Telescope v Chile. Díky kombinaci obou souborů získali dostatečně detailní spektrum na to, aby dokázali hledat jemné stopy hvězd, které jinak v záři celé galaxie prakticky mizí.
Výsledek byl překvapivý. Nejmohutnější z těchto galaxií obsahovaly větší podíl nízkohmotných hvězd, než by odpovídalo hvězdné populaci Mléčné dráhy. Astronomové takové rozložení označují jako „bottom-heavy IMF“ – populaci převažující směrem k hvězdám s nízkou hmotností.
Samotných devět zkoumaných galaxií přitom nejsou ony záhadné objekty z prvních stovek milionů let vesmíru. Jsou však důležité z jiného důvodu: některé jejich hvězdy vznikly nesmírně dávno a dovolují astronomům nahlédnout do podmínek, za kterých se formovaly nejstarší masivní galaxie.
Nejstarší galaxie v souboru byla zároveň ta nejpodivnější
Nejsilnější signál vědci našli u nejstaršího objektu v souboru. Jeho hvězdy podle analýzy vznikaly už při formačním rudém posuvu vyšším než 5, tedy v době, kdy byl vesmír starý jen něco přes miliardu let.
Právě tato galaxie vykazovala nejvýraznější nadbytek malých hvězd.
To je podstatné proto, že může představovat pozdějšího potomka galaxií, které Webb vidí v ještě vzdálenějším a mladším vesmíru. Pokud se takové galaxie už při svém vzniku rodily se stejným neobvykle vysokým podílem malých hvězd, dosavadní výpočty jejich hmotnosti mohly výrazně podstřelovat skutečnost.
Autoři studie odhadují, že u nejstarších objektů by rozdíl mohl dosahovat přibližně faktoru 4 ± 1. Neznamená to tedy, že každá raná galaxie je automaticky čtyřikrát těžší. Jde o důsledek modelu aplikovaného na galaxie, které by měly podobnou počáteční hmotnostní funkci jako nejstarší zkoumané objekty.
A právě tato podmínka je zásadní.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Problém, který měl Webb vyřešit, může být ještě větší
Už první roky práce JWST přinesly kosmologům otázku, která se stále vrací: jak mohl mladý vesmír tak rychle vytvořit tak hmotné galaxie?
Standardní model vzniku struktur nepředpokládá, že by se hvězdy a galaxie objevovaly pomalu a pravidelně. Raný vesmír byl bouřlivý a rychlá tvorba hvězd je jeho přirozenou součástí. Některé objekty nalezené Webbem však vypadají natolik masivně a vyvinutě, že jejich vytvoření vyžaduje mimořádně účinnou přeměnu dostupného plynu na hvězdy.
Proto se v odborné literatuře už před startem Webba objevoval pojem „impossibly early galaxy problem“. JWST jej nevytvořil, ale poskytl mnohem kvalitnější data a objevil další kandidáty, kteří toto napětí zvýraznili.
Jedním z možných vysvětlení vždy bylo, že jejich hmotnost jednoduše přeceňujeme. Pozorování vzdálených galaxií jsou obtížná, jejich světlo může ovlivňovat prach, aktivní černé díry i nejistoty v modelování hvězdných populací.
Nová práce však ukazuje přesně opačný možný efekt.
Pokud rané masivní galaxie obsahovaly více slabých hvězd, než předpokládáme, jejich skutečnou hvězdnou hmotnost jsme možná nepřeceňovali, ale podceňovali. Místo řešení problému by se tak rozdíl mezi teorií a pozorováním ještě zvětšil. Autoři studie sami píší, že jejich výsledky mohou napětí s modely formování galaxií zesílit.
Není to důkaz, že kosmologie nefunguje
Takový závěr by byl předčasný. Studie pracuje s devíti galaxiemi a nejdramatičtější extrapolace směrem k úplně prvním masivním galaxiím vychází z předpokladu, že podobné složení hvězd měly i jejich dávní předchůdci.
To je nyní potřeba ověřit.
Výsledek však napadá jednu z nenápadných konstant, které astronomové při „vážení“ vzdálených galaxií používají: představu, že poměr malých a velkých hvězd lze s rozumnou přesností odvozovat podle prostředí, které známe z dnešního vesmíru.
Pokud se ukáže, že extrémní podmínky prvních galaxií produkovaly hvězdy jinak, změna se nepromítne jen do jejich odhadované hmotnosti. Ovlivnit může naše představy o rychlosti hvězdotvorby, chemickém vývoji galaxií, množství vznikajících hvězdných pozůstatků i dlouhodobém vývoji galaktických systémů.
A existuje ještě jedna zajímavá vedlejší možnost. Nízkohmotné hvězdy žijí mimořádně dlouho a právě kolem nich dnes známe velké množství planet. Mariska Krieková, jedna z vedoucích autorek výzkumu, upozornila, že vyšší počet takových hvězd by mohl znamenat i větší potenciál pro vznik planet v raném vesmíru, než jsme dosud předpokládali. Jde zatím o důsledek, nikoli důkaz existence nějaké dávné planetární populace.
Webb nám možná neukazuje příliš velké galaxie. Možná jsou ještě větší
Na celé práci je možná nejzajímavější právě paradox jejího výsledku. Jednou z nadějí bylo, že další přesnější pozorování vysvětlí, proč některé galaxie z počátků vesmíru vypadají tak překvapivě hmotné. Že se podaří zjistit, která část dosavadních odhadů byla přehnaná.
Nové spektrum hvězdných populací však otevírá opačnou možnost. Světlo, které k nám z galaxie přichází, nemusí prozrazovat všechnu hmotu ukrytou v jejích hvězdách. Velké množství drobných, slabě zářících hvězd může být téměř neviditelné, a přesto zásadně změnit účet.
Čím hlouběji tedy Webb hledí do minulosti, tím méně mladý vesmír připomíná jednoduchou předehru k tomu dnešnímu. Galaxie, o nichž jsme si ještě nedávno mysleli, že vznikly podezřele rychle, možná skrývají další hmotu právě ve hvězdách, které jsou ze všech nejhůře vidět.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Zdroje: Kód Enigma [1], Nature Astronomy – Cheng et al., „Hidden mass in early galaxies revealed by bottom-heavy initial mass functions“ [2], Nature Astronomy – „Distant galaxies might be more massive than they appear“ [3], arXiv – Cheng et al., preprint studie [4], img AI generated
