Наблюдения космического телескопа James Webb показали, что некоторые массивные галактики ранней Вселенной могут быть значительно тяжелее, чем считалось ранее. Причина оказалась не в обнаружении неизвестного вещества и не в новых чёрных дырах, а в звёздах, которые до сих пор практически не удавалось увидеть напрямую.
Астрономы исследовали девять массивных галактик, которые уже прекратили активное образование новых звёзд. Используя чрезвычайно глубокие спектроскопические наблюдения James Webb и дополнив их данными наземного Очень большого телескопа, исследователи смогли оценить количество маломассивных звёзд в этих далёких системах.
Результат оказался неожиданным: в исследованных галактиках доля маломассивных звёзд существенно выше, чем предполагалось при использовании распределения звёздных масс, характерного для Млечного Пути. Для одной из наиболее древних галактик новая оценка звёздной массы может быть примерно в четыре раза выше прежней. Работа опубликована в журнале Nature Astronomy.
Это не означает, что James Webb буквально сфотографировал миллионы ранее невидимых звёзд по отдельности. На таких расстояниях большинство отдельных звёзд различить невозможно. Исследователи извлекли информацию об их совокупности из спектра галактик, используя признаки, которые особенно чувствительны к присутствию маломассивных звёзд.
Полученный результат затрагивает один из фундаментальных вопросов космологии: каким образом первые массивные галактики смогли накопить столь большое количество звёзд за относительно короткое время после Большого взрыва.
Почему масса древних галактик могла оказаться недооценённой
Яркие звёзды буквально скрывают многочисленных слабых соседей
Галактика состоит из звёзд с очень разными массами. Одни звёзды гораздо массивнее Солнца, другие имеют значительно меньшую массу. При этом количество звёзд и их суммарный вклад в массу галактики — не одно и то же.
Массивные звёзды намного ярче маломассивных. Поэтому при наблюдении далёкой галактики её общий свет непропорционально сильно определяется наиболее яркими звёздами. Слабые маломассивные звёзды в этом свете буквально теряются.
Получается своеобразная проблема масштаба. Если смотреть на далёкую галактику недостаточно чувствительным инструментом, астроном получает очень подробную информацию о самых ярких объектах, но гораздо меньше информации о многочисленных тусклых звёздах.
Именно последние могут вносить существенный вклад в общую массу звёздного населения. Поэтому неправильная оценка их количества приводит и к неправильной оценке массы всей галактики.
Массу звёзд нельзя просто определить по яркости галактики
Астрономы не взвешивают далёкие галактики непосредственно. Звёздную массу приходится восстанавливать по наблюдаемому излучению и моделям, описывающим свойства звёздного населения.
Одним из ключевых параметров является начальная функция масс — распределение звёзд по массам в момент их рождения. Если исследователь знает, сколько в популяции ярких массивных звёзд и как соотносится их количество с маломассивными звёздами, можно оценить суммарную массу звёздного населения.
До сих пор для далёких галактик в значительной степени использовалось предположение, что распределение масс звёзд там примерно соответствует хорошо изученному распределению в окрестностях Млечного Пути.
Новое исследование показывает, что для некоторых массивных галактик это предположение может быть неверным.
Что именно обнаружил James Webb
Исследователи изучили девять массивных галактик
Команда исследовала девять массивных галактик с высоким содержанием старых звёзд, которые уже прошли период интенсивного звездообразования. Они находятся на красном смещении около 0,7, то есть свет от них пришёл к нам из значительно более молодой Вселенной, чем сегодняшняя.
Эти объекты были выбраны в рамках программы JWST-IMFERNO. Для получения дополнительной информации использовались глубокие спектроскопические данные обзора LEGA-C, полученные на Очень большом телескопе Европейской южной обсерватории.
Таким образом, исследование не основывалось на одном изображении или одном наборе данных. Спектры, полученные James Webb, были объединены с наблюдениями с Земли, что позволило значительно расширить диапазон доступной информации.
Главным инструментом стал анализ спектра
Спектр галактики содержит гораздо больше информации, чем её обычное изображение.
Свет всех звёзд галактики складывается в общий спектр. В нём присутствуют особенности, связанные с химическим составом, возрастом и физическими свойствами звёздной популяции. Некоторые особенности особенно чувствительны к присутствию маломассивных звёзд.
Именно такие слабые признаки исследователи искали в спектрах девяти галактик.
Для этого потребовались не только чувствительные наблюдения, но и специальные методы анализа. Авторы подчёркивают, что измерение такого типа до появления инструментов и качества данных James Webb было практически невозможно.
Почему маленькие звёзды так трудно обнаружить
Чем массивнее звезда, тем ярче она обычно выглядит
Массивные звёзды могут излучать огромное количество энергии по сравнению с маломассивными. Поэтому даже если маломассивных звёзд значительно больше, их индивидуальный вклад в общий свет галактики оказывается небольшим.
Представить это можно как наблюдение большого города с огромного расстояния ночью. Самые яркие высотные здания будут заметны сразу, тогда как множество небольших домов практически сольётся с общим фоном. Однако количество небольших домов может быть огромным.
С галактиками происходит нечто похожее. Яркие звёзды хорошо видны в интегральном свете далёкой системы, а слабые звёзды оказываются скрытыми в их свете.
Но в отличие от обычной фотографии спектр способен содержать гораздо более тонкую информацию о составе популяции.
Маломассивные звёзды особенно важны для оценки массы
Парадокс заключается в том, что самые слабые звёзды не обязательно незначительны с точки зрения массы.
Если в галактике их очень много, суммарная масса такого населения может оказаться большой. Поэтому изменение предположения о количестве маломассивных звёзд способно заметно изменить оценку массы всей галактики.
Именно это произошло в новом исследовании.
Астрономы обнаружили признаки того, что в исследованных древних массивных галактиках маломассивных звёзд больше, чем ожидалось при использовании распределения масс, характерного для Млечного Пути.
Что означает «bottom-heavy» начальная функция масс
В таких галактиках доля маломассивных звёзд повышена
Для описания распределения звёзд по массам астрономы используют начальную функцию масс.
Если распределение называется bottom-heavy, это означает, что относительно больше звёзд приходится на нижнюю, маломассивную часть диапазона масс.
Это не означает, что все звёзды в такой галактике маленькие. В ней по-прежнему могут существовать массивные и яркие звёзды. Речь идёт именно об изменении пропорции между звёздами разных масс.
В новом исследовании получены свидетельства того, что некоторые массивные галактики в далёком прошлом действительно имели такое распределение. Причём наиболее древняя галактика из выборки показала наиболее выраженный bottom-heavy характер.
Это отличается от предположения, которое долго использовалось для далёких галактик
Для оценки массы далёких галактик необходимо принять модель того, сколько звёзд разных масс в них образовалось.
Поскольку непосредственно посчитать маломассивные звёзды в далёкой галактике практически невозможно, исследователи долгое время опирались на распределение, изученное в локальной Вселенной.
Новое исследование впервые дало возможность получить прямые ограничения на эту часть звёздного распределения за пределами локальной Вселенной для такой выборки массивных галактик.
Это важно потому, что изменение начальной функции масс влияет не только на оценку массы. Оно меняет представление о том, сколько вещества было заключено в звёздах галактики и насколько быстро эта система смогла сформироваться.
Самая интересная галактика оказалась намного тяжелее прежней оценки
Она сформировалась менее чем через 1,5 миллиарда лет после Большого взрыва
Особое внимание исследователи уделили одной из галактик.
Согласно результатам работы, она сформировалась на достаточно раннем этапе истории Вселенной, менее чем через 1,5 миллиарда лет после Большого взрыва. При этом именно в ней наблюдается особенно большое количество маломассивных звёзд.
Если применить полученную для неё начальную функцию масс к оценке звёздного содержания, её масса может оказаться примерно в четыре раза выше предыдущей оценки. В научной работе для соответствующего вывода приводится увеличение примерно в четыре раза с неопределённостью порядка одного фактора.
Важно понимать, что речь идёт не о появлении новой массы в галактике. Масса не возникла после новых наблюдений. Изменился способ её оценки после того, как исследователи получили информацию о ранее недоучтённой популяции маломассивных звёзд.
Это усиливает проблему слишком ранних массивных галактик
После запуска James Webb астрономы обнаружили целый ряд массивных галактик, существовавших в очень ранней Вселенной.
Некоторые из них оказались настолько массивными и зрелыми, что их существование стало серьёзным испытанием для моделей формирования галактик. Если галактика смогла накопить большое количество звёзд за первые этапы космической истории, теоретическим моделям необходимо объяснить, как происходило такое быстрое формирование.
Теперь появляется дополнительная проблема.
Если часть таких галактик имеет больше маломассивных звёзд, чем предполагалось, то их настоящая масса могла быть ещё выше. Исследование прямо указывает, что это может усилить напряжение между наблюдениями и существующими моделями формирования галактик.
Почему James Webb смог увидеть то, что раньше было недоступно
Большое зеркало и инфракрасные инструменты дают возможность собирать слабый свет
James Webb был создан в первую очередь для наблюдений далёкой Вселенной, где излучение древних объектов из-за расширения Вселенной смещается в более длинноволновую область.
Но для этого исследования важна не только способность наблюдать инфракрасное излучение.
Телескоп способен собирать большое количество света и получать высококачественные спектры очень далёких объектов. Именно сочетание чувствительности и спектроскопии сделало возможным поиск слабых признаков, связанных с маломассивными звёздами.
Исследователи использовали спектрограф NIRSpec с многообъектным режимом, а полученные данные затем объединили с более коротковолновыми спектрами LEGA-C.
James Webb не фотографировал отдельные маломассивные звёзды
Это принципиальное различие.
Заголовок о «скрытых звёздах» легко понять как открытие отдельных звёзд, которые телескоп смог рассмотреть в древних галактиках. На самом деле речь идёт о статистическом измерении целой звёздной популяции.
Отдельные маломассивные звёзды в этих далёких галактиках остаются недоступными для прямого разрешения. Исследователи анализируют суммарный свет галактики и характерные спектральные особенности, чтобы определить, насколько хорошо наблюдения согласуются с различными распределениями звёздных масс.
Поэтому результат является достижением спектроскопии и моделирования звёздных популяций, а не обычного повышения резкости изображения.
Почему для исследования понадобились данные наземного телескопа
James Webb и VLT дали взаимодополняющую информацию
Наблюдения James Webb обеспечили глубокие спектры в соответствующем диапазоне длин волн, а данные LEGA-C с Очень большого телескопа позволили расширить спектральный диапазон в более коротковолновую область.
Совместный анализ оказался важнее, чем использование только одного набора наблюдений.
Для определения свойств звёздной популяции необходимо одновременно учитывать множество особенностей спектра. Чем шире и качественнее спектральная информация, тем больше ограничений можно наложить на модели.
Именно поэтому исследование стало результатом комбинации космической и наземной астрономии, а не исключительно работы James Webb.
Особенно важны спектральные линии, чувствительные к маломассивным звёздам
В спектрах исследованных галактик присутствуют особенности поглощения, чувствительные к количеству маломассивных звёзд.
Исследователи не просто сравнивали общую яркость галактик. Они подбирали модели, способные одновременно объяснить наблюдаемый спектр и свойства звёздной популяции.
Такой подход позволяет проверять, соответствует ли галактика обычному распределению масс или в ней действительно имеется избыток маломассивных звёзд.
Именно благодаря этому удалось получить ограничения на начальную функцию масс, которые раньше для подобных далёких галактик получить было значительно труднее.
Что новое открытие меняет в представлениях о первых галактиках
Первые галактики могли формироваться с другим набором звёзд
До сих пор в моделях и интерпретации наблюдений часто предполагалось, что относительное распределение звёзд разных масс в целом не меняется радикально на протяжении космической истории.
Новое исследование указывает, что это предположение может быть слишком простым.
Если массивные галактики ранней Вселенной действительно формировали непропорционально большое количество маломассивных звёзд, условия звездообразования в прошлом могли отличаться от условий, наблюдаемых в современной Вселенной.
Это означает, что при реконструкции истории галактик необходимо учитывать не только количество газа, скорость звездообразования и возраст звёзд, но и то, какие именно звёзды преимущественно рождались в разные эпохи.
Масса галактики и история её формирования оказываются связаны ещё сильнее
Звёздная масса является одним из основных параметров, по которым астрономы оценивают развитие галактик.
Если предыдущие оценки систематически недооценивали количество маломассивных звёзд, это может повлиять на реконструкцию того, когда и насколько быстро галактики наращивали массу.
Для древних массивных галактик последствия особенно существенны. Чем больше масса системы в ранней Вселенной, тем сложнее объяснить её появление в рамках сценариев, предполагающих постепенное накопление вещества и образование звёзд.
Однако новое исследование не доказывает, что существующие космологические модели неверны. Оно показывает, что один из параметров, используемых при сравнении моделей с наблюдениями, мог быть оценён неправильно.
Что это говорит о «невозможных» ранних галактиках
Термин связан с неожиданно быстрым ростом галактик
После появления первых результатов James Webb астрономы обнаружили массивные галактики на больших красных смещениях, то есть в эпоху, когда Вселенная была очень молодой.
Некоторые из этих объектов содержали столько звёзд, что их существование оказалось трудным для объяснения прежними моделями. Именно поэтому в научной литературе возникло выражение «impossibly early galaxies» — «необычно ранние галактики».
Это не означает, что галактики физически невозможны или нарушают известные законы природы. Речь идёт о том, что их свойства создают напряжение для некоторых моделей формирования галактик.
Новые данные могут сделать проблему ещё серьёзнее
Если древняя массивная галактика содержит значительно больше маломассивных звёзд, чем предполагалось, её масса увеличивается.
По оценке авторов, наиболее древняя галактика в их выборке имеет такие свойства, которые могут указывать на увеличение массы примерно в четыре раза относительно исходной оценки.
Исследователи предполагают, что эта галактика может быть потомком объектов, которые James Webb наблюдал в ещё более раннюю эпоху. Если аналогичное распределение звёздных масс было характерно и для них, оценки их массы также могли быть занижены.
При этом пока нельзя автоматически перенести результат одной исследованной галактики на все ранние галактики. Для этого потребуются дополнительные наблюдения значительно большей выборки.
Почему маленькие звёзды могут быть важны для образования планет
Многие планеты существуют вокруг маломассивных звёзд
Изучение распределения звёздных масс имеет последствия не только для моделей галактик.
Современные наблюдения экзопланет показывают, что планеты могут обращаться вокруг маломассивных звёзд. Поэтому изменение оценки того, сколько таких звёзд существовало в ранней Вселенной, потенциально связано и с оценками количества планетных систем.
Руководитель исследования Мариска Крик отметила, что большое количество маломассивных звёзд в ранних галактиках может означать, что планет в молодой Вселенной также сформировалось больше, чем предполагалось ранее.
Это пока не означает, что первые планеты уже доказанно существовали в огромном количестве
Здесь необходимо отделять непосредственный результат исследования от его возможных последствий.
Учёные обнаружили избыток маломассивных звёзд в девяти исследованных галактиках и на этой основе изменили оценку их звёздного содержания.
Связь с планетами является следующим уровнем интерпретации: если маломассивных звёзд было больше, то потенциальных мест для формирования планет тоже могло быть больше.
Само исследование не обнаружило древние планеты и не измерило их количество. Поэтому утверждать, что оно непосредственно доказало существование большего числа планет в ранней Вселенной, нельзя.
Как может измениться изучение ранней Вселенной
Следующим шагом станет расширение выборки
Девять галактик — слишком небольшая выборка, чтобы считать обнаруженный тип распределения масс универсальным свойством всех древних галактик.
Главная задача следующих исследований — проверить, насколько часто встречается избыток маломассивных звёзд.
Если аналогичные результаты будут получены для большого количества объектов с разными массами, возрастами и условиями формирования, станет возможным определить, насколько сильно начальная функция масс менялась в истории Вселенной.
Если же окажется, что bottom-heavy распределение характерно только для определённого класса галактик, это также будет важным результатом.
Учёные хотят продвинуться ещё дальше в прошлое
Команда уже планирует применить разработанный метод к ещё более ранним галактикам.
Особенно интересен период, когда появились первые поколения звёзд и начали формироваться первые галактики. Именно тогда начальная функция масс могла иметь особенно большое значение для последующей эволюции Вселенной.
Если удастся определить, какие звёзды преимущественно рождались в первые космические эпохи, астрономы получат новую информацию о процессах, которые привели от первых звёзд к современным галактикам.
Почему это важно для понимания эволюции галактик
Галактики не обязательно формировались так же, как современные системы
Млечный Путь и другие близкие галактики позволяют подробно изучать звёзды, газ, пыль и процессы звездообразования.
Но современная Вселенная не обязательно является точной моделью ранней Вселенной.
В первые миллиарды лет условия были другими. Галактики чаще взаимодействовали и сливались, содержание химических элементов отличалось, а процессы образования звёзд происходили в иной среде.
Если распределение звёздных масс также менялось со временем, использовать современную картину как универсальный шаблон становится ещё сложнее.
Новое исследование даёт наблюдательные основания проверить именно это предположение.
Маломассивные звёзды могут сохранять память о далёком прошлом
Массивные звёзды живут сравнительно недолго по астрономическим меркам. Они быстро проходят основные стадии эволюции, после чего превращаются в компактные остатки или взрываются как сверхновые.
Маломассивные звёзды развиваются намного медленнее и могут существовать очень долго.
Поэтому их количество в старых галактиках является своеобразной записью условий, при которых происходило первоначальное звездообразование.
Если астрономам удаётся определить долю таких звёзд спустя миллиарды лет, они получают информацию не только о нынешнем состоянии галактики, но и о процессе её формирования.
Почему результат не означает обнаружения «новой материи»
Слово «скрытая масса» может создавать неправильное впечатление, будто James Webb обнаружил неизвестный вид вещества.
Это не так.
Речь идёт о обычной барионной материи — звёздах, которые уже существовали в исследуемых галактиках, но их вклад в общую массу был недооценён из-за трудностей наблюдения.
Никакой новый тип частиц или неизвестное вещество в рамках этой работы не обнаружен.
Изменилась оценка количества уже известных объектов — маломассивных звёзд.
Это принципиальное отличие от исследований тёмной материи, где речь идёт о компоненте Вселенной, которая не излучает свет и выявляется прежде всего по гравитационному воздействию.
Что пока остаётся неизвестным
Неясно, насколько распространено необычное распределение звёздных масс
Авторы получили убедительные ограничения для девяти массивных галактик, но этого недостаточно, чтобы утверждать, что все древние галактики имели повышенную долю маломассивных звёзд.
Нужно исследовать больше объектов и проверить галактики с другими свойствами.
Особенно важно определить зависимость между распределением звёздных масс и такими параметрами, как масса галактики, возраст звёзд и условия, в которых происходило звездообразование.
Необходимо проверить результаты независимыми методами
Оценка распределения звёздных масс основана на спектральном моделировании. Поэтому важную роль играют используемые модели звёздных популяций и предположения о физических свойствах галактик.
Новые наблюдения, другие спектральные признаки и независимые способы оценки массы помогут проверить полученный результат.
Чем больше независимых методов покажут одно и то же, тем увереннее можно будет говорить о реальном изменении начальной функции масс в ранней Вселенной.
James Webb снова показывает пределы прежних наблюдений
Главное значение результата заключается не просто в том, что древние галактики оказались тяжелее.
Наблюдения демонстрируют, насколько сильно наши представления о далёкой Вселенной зависят от того, какие компоненты галактики способны увидеть современные инструменты.
До появления James Webb астрономы могли измерять свойства ранних галактик, но отдельные составляющие их звёздного населения оставались практически недоступными. Теперь чувствительность и спектроскопические возможности телескопа позволяют извлекать информацию даже из очень слабых особенностей суммарного света.
В результате оказывается, что галактика, которая с большого расстояния кажется состоящей преимущественно из ярких массивных звёзд, может содержать значительно больше маломассивных звёзд, чем предполагали модели.
Это меняет не внешний вид галактик на снимках, а наши оценки их физического содержания.
Что открытие означает для космологии
Проблема ранних массивных галактик может стать ещё интереснее
Современные модели формирования галактик должны объяснить, как за первые миллиарды лет после Большого взрыва могли появиться массивные системы со зрелыми звёздными популяциями.
Если их масса была выше прежних оценок, задача становится сложнее.
Но одновременно новое исследование помогает уточнить сами исходные данные, с которыми сравниваются теоретические модели.
Раньше часть несоответствия могла быть связана с неверной оценкой количества маломассивных звёзд. Теперь этот фактор можно учитывать более реалистично.
В дальнейшем станет ясно, насколько большая часть проблемы ранних массивных галактик связана с распределением звёздных масс, а насколько требует изменения самих представлений о скорости формирования галактик.
Это ещё один пример того, как James Webb меняет картину молодой Вселенной
После начала работы James Webb астрономы неоднократно обнаруживали галактики, существовавшие намного раньше и обладавшие более сложными свойствами, чем ожидалось по старым наблюдениям.
Новое исследование добавляет к этой картине ещё один важный элемент: даже если мы видим достаточно яркий древний объект, его суммарное звёздное содержание может быть существенно больше, чем следует из первоначальной оценки.
Теперь вопрос заключается уже не только в том, насколько быстро первые галактики смогли сформироваться, но и в том, какие именно звёзды в них рождались.
Это делает начальную функцию масс одним из важных параметров для дальнейшего изучения ранней Вселенной.
Главное из нового исследования
Наблюдения James Webb показали, что девять исследованных массивных галактик далёкой Вселенной содержат больше маломассивных звёзд, чем ожидалось при использовании распределения звёздных масс, характерного для Млечного Пути. Речь идёт не о прямом обнаружении отдельных «скрытых» звёзд, а о спектроскопическом измерении их совокупного вклада в свет галактик.
Особенно важен результат для наиболее древней галактики в выборке. Она сформировалась менее чем через 1,5 миллиарда лет после Большого взрыва, а её необычно большая доля маломассивных звёзд приводит к оценке звёздной массы примерно в четыре раза выше прежней.
Это не означает, что во Вселенной внезапно обнаружилась неизвестная материя. Новые данные указывают на то, что значительная часть обычной звёздной массы была скрыта от прежних методов оценки. Слабые маломассивные звёзды трудно заметить на фоне гораздо более ярких массивных светил, поэтому их количество приходилось оценивать косвенно.
Результат важен для проблемы ранних массивных галактик. Если аналогичное распределение звёздных масс характерно для других древних систем, некоторые из них также могут оказаться значительно массивнее первоначальных оценок. Это, в свою очередь, усиливает вопросы к моделям, объясняющим, как столь массивные галактики успели сформироваться на ранних этапах истории Вселенной.
При этом пока рано распространять полученный результат на все галактики ранней Вселенной. Исследована небольшая выборка из девяти объектов, и следующим этапом станет проверка метода на большем количестве галактик и на ещё более ранних эпохах.
Если дальнейшие наблюдения подтвердят, что избыток маломассивных звёзд был обычным явлением в молодой Вселенной, изменится не только оценка массы древних галактик. Придётся пересматривать представления о том, какие звёзды преимущественно рождались в первые космические эпохи, насколько быстро формировались галактики и сколько звёздной материи они успевали накопить.
James Webb в данном случае обнаружил не просто ещё одну далёкую галактику. Он позволил увидеть то, что раньше практически невозможно было измерить: скрытую в общем свете галактики популяцию тусклых маломассивных звёзд. И именно эта невидимая на обычных изображениях часть звёздного населения может существенно изменить наши оценки того, насколько массивными были галактики в молодой Вселенной.
Источники:
Статья создана по материалам Space.com
Телескоп предоставляет все больше интересной инфы, которая дополняет нашу картину о космосе.