Starověké galaxie pozorované JWST jsou mnohem hmotnější, než se předpokládalo

Úvodní obrázek z JWST byl prvním snímkem, který dalekohled zveřejnil. Ukazuje kupu galaxií SMACS 0723 a některé z jejích členů. Jedním z prvních objevů dalekohledu bylo, že rané galaxie byly již několik set milionů let po Velkém třesku hmotnější, než si dokážeme vysvětlit. Nový výzkum říká, že tyto galaxie, které boří teorii, byly ve skutečnosti ještě hmotnější.

Jedno z překvapení, které JWST přinesl, se týká velikostí raných galaxií. Výkonný dalekohled zkoumal starověké světlo z galaxií s vysokým rudým posuvem, přibližně 500 milionů let po Velkém třesku. Pozorování ukázala, že tyto galaxie byly již mnohem větší, než by měly být podle našeho chápání formování a vývoje galaxií.

Nový výzkum ale říká, že tyto galaxie byly ve skutečnosti ještě hmotnější, než se předpokládalo. Astronomové nemohou spočítat a změřit každou hvězdu v galaxii. Rozlišení jednotlivých hvězd ve vzdálených galaxiích je náročné. Místo toho měří hmotnosti galaxií na základě počáteční hmotnostní funkce (Initial Mass Function – IMF).

IMF je důležitou spojnicí mezi hvězdami a jejich galaxiemi. Nejenže popisuje počáteční hvězdnou populaci galaxie z hlediska jejich hmotností, formování a vývoje, ale v širším smyslu i vývoj samotné galaxie. IMF v podstatě přiřazuje s určitou pravděpodobností hvězdám jejich hmotnosti v době formování.

Nový výzkum publikovaný v časopise Nature Astronomy zkoumá, jak nám IMF může dávat mylnou představu o problematických raných galaxiích na snímcích z JWST. Výzkum s názvem „Skrytá hmota v raných galaxiích odhalená počátečními hmotnostními funkcemi s těžkým dnem“ (kam patří extrémně lehcí, chladní a dlouhověcí červení trpaslíci) je hlavní autorkou Chloe Chengová. Ta nedávno získala doktorát na Leidenské univerzitě v Nizozemsku, částečně na základě této práce.

„Pozorování pomocí vesmírného dalekohledu Jamese Webba (JWST) odhalila, že masivní galaxie se formovaly a vyvíjely rychleji, než předpovídaly modely formování galaxií, přičemž mnohé z nich již shromáždily velkou hmotnost ve hvězdách přibližně před 12 miliardami let,“ začínají autoři ve svém článku. Avšak zdůrazňují, že hmotnosti těchto starověkých galaxií jsou nejisté. Jsou založeny na IMF Mléčné dráhy, což je předpoklad.

Vědci tvrdí, že když astronomové pozorují a měří vzdálenou galaxii, nevidí reprezentativní vzorek jejích hvězd. To zkresluje měření hmotnosti záhadných galaxií s vysokým rudým posuvem, které byly nalezeny pomocí JWST.

„Konkrétně příspěvek hvězd s nízkou hmotností, které tvoří většinu hvězdné hmoty, není přímo pozorován, ale je odvozen na základě extrapolace IMF Mléčné dráhy,“ píší autoři.

Extrapolace, i když jsou účinné, nám mohou dát mylnou představu. Když astronomové pozorují vzdálenou galaxii, nerozlišují jednotlivé hvězdy. Zkoumají kolektivní spektra všech jejích hvězd a zpětně na nich pracují, aby pochopili jejich kolektivní hmotnosti. Těmto spektrům však dominují hmotné jasné hvězdy. Slabší hvězdy s nižší hmotností se v jejich světle mohou ztratit. To má důsledky pro hmotné galaxie s vysokým rudým posuvem na pozorováních z JWST.

„Kdyby galaxie byla město, nejjasnějšími hvězdami by byly mrakodrapy, které vás hned z dálky zaujmou,“ uvedla v tiskové zprávě hlavní autorka studie Chengová. „Naše modely ukazují, že mnohem početnější populace hvězd s nízkou hmotností je skryta za těmito vzácnými, jasnými hvězdami, jako jsou domy skryté mezi mrakodrapy. V důsledku toho se ukazuje, že tato galaxie je mnohem hmotnější, než naznačovaly předchozí odhady.“

JADES-GS-z14-0 je jednou z raných galaxií, která je mnohem hmotnější, než jsme si mysleli, že galaxie by mohly být tak brzy v historii vesmíru. JWST pozoroval galaxii pouze asi 300 milionů let po Velkém třesku, kdy již byla hmotná a zářivá. I když jsou pozorování raných galaxií provedená JWST matoucí, nová měření hmotnosti znamenají, že jsou ještě hmotnější, než jsme si mysleli.

V této práci vědci použili data z přístroje NIRSpec na JWST a datového souboru Large Early Galaxy Astrophysics Census (LEGA-C) na evropském dalekohledu Very Large Telescope. Jejich výzkum zahrnoval 9 klidových galaxií s vysokým rudým posuvem, aby pochopili jejich IMF. Výsledky ukazují, že těchto 9 galaxií obsahuje více hvězd s nízkou hmotností, než se předpokládalo.

„Použitím ultrahlubokých spekter devíti masivních klidových galaxií s rudým posuvem z ≈ 0,7 z programu JWST Initial Mass Function of Early Red NIRSpec Objects, rozšířených na modřejší vlnové délky s hlubokými spektry z Very Large Telescope Large Early Galaxy Astrophysics Census, jsme zjistili, že nejhmotnější galaxie mají nadbytek hvězd s nízkou hmotností,“ píší autoři.

„Až donedávna byla taková měření jednoduše nemožná,“ říká spoluautorka Martje Slobová (Leidenská univerzita). „Potřebovali jsme nejen dalekohled schopný zvětšit velmi vzdálené galaxie, ale také spektra výjimečné kvality a nové analytické techniky, abychom spolehlivě detekovali jemné signatury slabých hvězd s nízkou hmotností skrytých v těchto kosmických titánech.“

Tato zjištění dále narušují naše chápání hmotností těchto raných galaxií. Ačkoliv se již zdály být hmotnější, než si dokážeme vysvětlit, ve skutečnosti jsou ještě hmotnější. Ještě šokující je, že nejstarší z těchto 9 galaxií má nejvíce hvězd s nízkou hmotností.

„Je pozoruhodné, že naše nejstarší galaxie (rudý posuv formace z > 5) má nejvíce IMF s těžkým spodním polem,“ píší autoři. „Tato galaxie může být potomkem ‚neuvěřitelně raných‘ galaxií, což naznačuje, že i ty mohly mít podobně IMF s těžkým spodním polem,“ vysvětlují. To by jejich hmotnosti zvýšilo přibližně 4krát.

Vědecké modely formování a růstu galaxií se již dříve potýkaly s vysvětlením raných galaxií na snímcích z JWST. Nyní je podle těchto výsledků napětí ještě větší. „Naše zjištění tak mohou zesílit napětí s modely formování galaxií,“ píší vědci. Modely nyní musí zohlednit mnohem více hvězd s nízkou hmotností.

Autoři tvrdí, že tato práce představuje obrovský skok v tom, jak chápeme růst galaxií. „Náš nález IMF s těžkým dnem při z∼0,7, zejména v nejstarších galaxiích, naznačuje, že nejhmotnější klidové galaxie objevené při vysokých rudých posuvech (hvězdná hmotnost ≳10^11M⊙) mají pravděpodobně ještě vyšší hmotnosti, než bylo původně uváděno,“ píší. Tyto galaxie jsou klidové, ale výsledky naznačují, že jejich předchůdci, v kterých se formovaly hvězdy, byli také hmotnější, což modely jen ještě více zatěžuje.

O povaze IMF se vede spousta nevyřešených debat. Astronomie se zabývá světlem a tím, jak je zachycováno, měřeno, rozebíráno a modelováno. Tento výzkum ukazuje, jak odlišné jsou výsledky, když se naše chápání světla může mýlit až čtyřikrát. A tyto výsledky ovlivňují více než jen hvězdy.

„Tento výsledek ukazuje, že ve hvězdách s nízkou hmotností se skrývá mnohem více hmoty, než se dříve myslelo,“ říká Mariska Krieková (Leidenská univerzita), která výzkum vedla. „To má důsledky pro mnoho oblastí astronomie. Například vzhledem k tomu, že mnoho planet obíhá kolem hvězd s nízkou hmotností, mohlo by to dokonce naznačovat, že v raném vesmíru vzniklo více planet, než jsme dříve předpokládali.“

Zdroj: https://www.universetoday.com/articles/whoa-the-jwsts-ancient-galaxies-are-much-more-massive-than-thought

autor: František Martinek