Muinaisten galaksien paino voi olla suurempi kuin luultu

Universumin nuoruuden valo voi johtaa harhaan. Miljardien vuosien takaa kirkkaimmat tähdet huutavat kovimmin, peittäen hiljaisemmat naapurit, jotka yhdessä voivat painaa enemmän kuin näyttävät harvat.

Kansainvälinen tutkimusryhmä, jota johti NASA:n James Webb -avaruusteleskoopilla työskentelevät tähtitieteilijät yhdessä Very Large Telescope (VLT) -teleskoopin arkistoaineiston kanssa, on todennut, että jotkin varhaisen kosmisen historian valtavat galaksit kätkevät huomattavasti suurempia vähäisen massan tähtipopulaatioita kuin tutkijat olivat olettaneet. Ryhmä paljasti galaksien spektrien yksityiskohdat uusilla malleilla ja epätavallisen tarkkoilla havainnoilla, löytäen spektrisiä tunnusmerkkejä, jotka paljastavat piilevän, himmeän tähtien enemmistön, jotka tuskin loistavat yksitellen mutta kantavat yhdessä merkittävää massaa.

Otanta oli pieni mutta ilmaiseva: yhdeksän massiivista, kypsää galaksia, jotka olivat jo lopettaneet tähtien muodostumisen kauan sitten. Kun ryhmä purki kunkin galaksin valon sekoittuneita värejä, he näkivät jotain odottamatonta. Pieni joukko kirkkaita jättiläisiä oli peittänyt hiljaisempien, vähäisen massan tähtien kuoron. Kun nuo hienovaraisemmat signaalit eroteltiin, joidenkin galaksien arvioitu tähtimassa paisui, joskus kolmesta tai neljästä kertaiseen.

Ajattele sitä kuin kaupunkinäkymää yöllä. Muutama pilvenpiirtäjä hallitsee näkymää, mutta niiden välissä on tuhansia pieniä koteja. Kauempaa huomaat tornit. Lähempää näet, että lähiöt ovat laajat ja raskaat. Sama ajatus pätee näihin muinaisiin järjestelmiin: kirkkaat tähdet paljastavat galaksin olemassaolon, mutta galaksin todellinen paino voi olla lukemattomien himmeiden tähtien varassa, jotka melkein jäivät huomaamatta.

Nämä mittaukset haastavat galaksitutkimuksissa pitkään vallinneen oletuksen siitä, että alkuperäinen tähtimassojen jakauma olisi suurin piirtein universaali. Astronomit käyttävät usein standardoitua jakaumaa muuntaakseen galaksin valon kokonaismassaksi, mikä toimii hyvin monissa lähellä olevissa järjestelmissä. Uusi JWST-pohjainen analyysi viittaa kuitenkin siihen, että varhaisen universumin kaikkein massiivisimmissa galakseissa tähtijakauma oli vinoutunut vähäisen massan tähtien suuntaan, mikä tarkoittaa, että aiemmat massa-arviot voivat olla järjestelmällisesti alhaisia.

Yksi kohde näytteessä erottui. Muodostunut noin 1,5 miljardin vuoden kuluessa alkuräjähdyksestä, se näyttää sisältävän jopa nelinkertaisen tähtimassan verrattuna aiemmin tavanomaisilla oletuksilla arvioituun. Jos tämä tulos pätee laajemmassa populaatiossa, kuva siitä, milloin ja miten ensimmäiset raskaat galaksit muodostuivat, vaatii tarkistusta. Lisäpaino syventää jo kasvavaa arvoitusta: JWST on jo paljastanut yllättävän kypsiä ja massiivisia galakseja ajanjaksoilla, jolloin standardimallien mukaan tällaisia järjestelmiä pitäisi olla harvassa.

Seuraukset ulottuvat laajalle. Galaksien muodostumissimulaatioissa täytyy ottaa huomioon prosessit, jotka synnyttävät runsaasti vähäisen massan tähtiä varhaisessa vaiheessa. Tähtimassa säätelee gravitaatiopotentiaalia, yhdistymishistoriaa ja palautteen tehokkuutta, joka hallitsee tähtien muodostumista. Myös eksoplaneettatutkimukset voivat muuttua, koska vähäisen massan tähdet tarjoavat usein suotuisat olosuhteet planeetoille; enemmän tällaisia tähtiä varhaisessa maailmankaikkeudessa voisi tarkoittaa rikkaampaa valikoimaa muinaisia planeettajärjestelmiä kuin aiemmin on oletettu.

Penn Staten tähtitieteilijät osallistuivat kehittyneillä mallinnustekniikoilla, jotka auttoivat erottamaan heikkoja spektriominaisuuksia kohinaisesta datasta. Tämä työ nojasi JWST:n herkkyyteen ja maapohjaisten observatorioiden tarjoamiin korkearesoluutioisiin spektreihin. Yhdessä instrumentit ja analyysi avasivat ikkunan, joka oli aiemmin suljettu.

Mitä seuraavaksi? Tiimi aikoo soveltaa samaa lähestymistapaa vieläkin varhaisempiin kosmisiin aikoihin, etsien himmeiden tähtien jälkiä lähemmäs aikaa, jolloin ensimmäiset tähtisukupolvet ja galaksit välähtivät näkyviin. Jokainen uusi spektri voi joko vahvistaa havaittua suuntausta tai pakottaa teoreetikot palaamaan piirustuspöydän ääreen.

Joka tapauksessa opetus on selvä: kun punnitset kosmosta, älä anna kirkkaimpien valojen kertoa koko tarinaa.