ניתוח ספקטרום של תשע גלקסיות מסיביות באמצעות טלסקופ החלל ג'יימס ווב והטלסקופ הגדול מאוד מצביע על עודף בכוכבים קטנים וחיוורים. אם אוכלוסייה דומה התקיימה גם באבותיהן ביקום המוקדם, מסותיהן עשויות להיות גדולות עד פי ארבעה מההערכות הקודמות – ולהחריף את המתח עם המודלים להיווצרות גלקסיות
גלקסיות מסיביות עשויות להכיל הרבה יותר כוכבים קטנים וחיוורים מכפי שהניחו האסטרונומים עד כה. הממצא עשוי להגדיל במידה ניכרת גם את אומדני המסה של אבותיהן ביקום המוקדם, ולהקשות עוד יותר על המודלים להסביר כיצד נוצרו גלקסיות גדולות ובוגרות זמן קצר כל כך לאחר המפץ הגדול.
המחקר, שפורסם בכתב העת Nature Astronomy, מבוסס על ספקטרום עמוק במיוחד של תשע גלקסיות מסיביות שכבר חדלו ליצור כוכבים. החוקרים שילבו תצפיות של מכשיר NIRSpec בטלסקופ החלל ג'יימס ווב עם נתונים באורכי גל קצרים יותר שנאספו באמצעות הטלסקופ הגדול מאוד של מצפה הכוכבים האירופי הדרומי.
חשוב לדייק: הגלקסיות שנבדקו אינן עצמן מן הגלקסיות הראשונות ביקום. הן נצפו בהסחה לאדום של כ־0.7, כלומר כפי שנראו לפני כשישה עד שבעה מיליארד שנים. עם זאת, הכוכבים העתיקים שבהן נוצרו הרבה קודם. אחת הגלקסיות מכילה אוכלוסיית כוכבים שנוצרה ככל הנראה בהסחה לאדום גדולה מחמש, כשהיקום היה בן פחות ממיליארד וחצי שנים.
האור אינו מספר את כל סיפור המסה
כאשר אסטרונומים מעריכים את מסת הכוכבים בגלקסיה רחוקה, הם אינם יכולים לספור כל כוכב בנפרד. במקום זאת הם מודדים את האור הכולל ומפעילים מודלים של אוכלוסיות כוכבים.
אלא שכמות האור אינה מייצגת בהכרח את רוב המסה. מספר קטן יחסית של כוכבים גדולים ובהירים יכול לשלוט בספקטרום של גלקסיה, בעוד אוכלוסייה עצומה של כוכבים קטנים וחיוורים תורמת מעט לאור אך הרבה למסה.
קלואי צ'נג מאוניברסיטת ליידן, המחברת הראשית של המחקר, השוותה את המצב לעיר הנצפית מרחוק: גורדי השחקים מושכים מיד את העין, אך ביניהם מסתתרים בתים נמוכים רבים. באופן דומה, הכוכבים הבהירים נראים היטב, ואילו הכוכבים הקטנים כמעט נעלמים בתוך האור המשולב של הגלקסיה.
כדי לאמוד את מספרם של הכוכבים החיוורים חיפשו החוקרים בספקטרום חתימות בליעה עדינות התלויות במסה ובכבידת פני השטח של הכוכבים. איכות התצפיות של ווב, בשילוב הנתונים הקרקעיים, אפשרה להם להגביל את היחס בין כוכבים קטנים לכוכבים גדולים באופן שלא היה אפשרי קודם בגלקסיות מרוחקות כל כך.
הנחה יסודית באומדן מסת הגלקסיות
ההתפלגות של מסות הכוכבים בעת היווצרותם נקראת "פונקציית המסה ההתחלתית", או IMF. בחישובי מסה של גלקסיות רחוקות נהוג בדרך כלל להניח שפונקציה זו דומה לזו שנמדדה בשביל החלב.
זו הנחה נוחה, אך לא בהכרח חוק טבע. תוצאות המחקר מראות שבגלקסיות המסיביות ביותר במדגם הייתה כנראה פונקציית מסה "כבדה בתחתיתה": נוצרו בהן כוכבים קטנים רבים יותר ביחס לכוכבים גדולים, בהשוואה לאוכלוסייה אופיינית בשביל החלב.
כוכבים בעלי מסה נמוכה חיים זמן רב ופולטים מעט אור. לכן, אם מספרם גדול מהמשוער, היחס בין המסה לעוצמת האור של הגלקסיה עולה – ובהתאם עולה גם אומדן המסה הכוללת הכלואה בכוכבים.
"הגלקסיות האלה שונות", אמר ג'ואל לג'ה מאוניברסיטת פן סטייט, ממחברי המחקר. לדבריו, בחלק מן המקרים השינוי בפונקציית המסה עשוי להוביל לאומדני מסה הגדולים פי שלושה או ארבעה מן ההערכות המבוססות על התפלגות כוכבים דמוית שביל החלב.
הקשר לגלקסיות ה"גדולות מדי" של ווב
מאז תחילת פעילותו של טלסקופ החלל ג'יימס ווב התגלו גלקסיות בהירות, מסיביות ובוגרות לכאורה שהתקיימו מאות מיליוני שנים בלבד לאחר המפץ הגדול. חלק מההערכות הראשונות של מסותיהן עודכנו בעקבות מדידות ספקטרוסקופיות והבנה טובה יותר של האבק, הגז והכוכבים שבהן, אך עדיין קיימות גלקסיות שקשה להסביר את קצב היווצרותן במסגרת המודלים המקובלים.
המחקר החדש אינו מודד ישירות את פונקציית המסה ההתחלתית באותן גלקסיות ראשונות. החוקרים מציעים שהגלקסיות הכבויות שנבדקו הן צאצאיות של מערכות מסיביות שנוצרו מוקדם מאוד. אם גם לאבותיהן הייתה אוכלוסייה עשירה במיוחד בכוכבים קטנים, מסות הגלקסיות המוקדמות עשויות להיות גדולות בערך פי (4\pm1) מהאומדנים הנשענים על פונקציית מסה הדומה לזו של שביל החלב.
במקום לפתור את בעיית הגלקסיות שנראות גדולות מדי ומוקדמות מדי, האפשרות הזאת דווקא מחריפה אותה: מודלים של היווצרות גלקסיות יצטרכו להסביר כיצד נוצרה במהירות לא רק אוכלוסייה של כוכבים בהירים, אלא גם מסה עצומה של כוכבים קטנים וחיוורים.
עם זאת, מדובר עדיין בהסקה מאוכלוסיות מאוחרות יותר. כדי לקבוע אם פונקציית המסה הייתה כבדה בתחתיתה גם בגלקסיות הראשונות, יהיה צורך להשיג ספקטרום באיכות מספקת של גלקסיות רחוקות וקדומות עוד יותר.
יותר כוכבים קטנים – ואולי גם יותר מערכות כוכבי לכת
מריסקה קריק ממצפה הכוכבים של ליידן, שהובילה את המחקר, ציינה כי לשינוי במספר הכוכבים הקטנים עשויות להיות השלכות גם מעבר לאומדני המסה של גלקסיות. כוכבים קטנים מאריכי ימים הם מארחים נפוצים של כוכבי לכת. לכן אוכלוסייה גדולה יותר שלהם עשויה לרמוז שגם מספר מערכות כוכבי הלכת שנוצרו ביקום הצעיר היה גדול מהמשוער.
זו בשלב זה אפשרות בלבד, ולא תוצאה ישירה של המחקר. התצפיות אינן מגלות כוכבי לכת באותן גלקסיות, וגם אינן קובעות אם התנאים סביב הכוכבים הקדומים אפשרו היווצרות כוכבי לכת הדומה לזו המוכרת לנו.
החוקרים מתכננים ליישם את שיטת הניתוח על גלקסיות קדומות יותר. תצפיות כאלה עשויות לקבוע אם עודף הכוכבים הקטנים היה תכונה של סביבות יצירת הכוכבים הקיצוניות ביקום הצעיר, או תופעה שהתפתחה מאוחר יותר בתוך הגלקסיות המסיביות.
למאמר המדעי: פתיחת המאמר המדעי
עוד בנושא באתר הידען
- ווב זיהה מועמד ל״חור שחור דמוי כוכב״ בשחר הקוסמי
- מפת השמיים הדו־ממדית הגדולה ביותר כוללת כמעט ארבעה מיליארד עצמים
- לא הכול נבלע: מערכת חור שחור המשיכה לפלוט חומר גם לאחר שההתפרצות דעכה
- יותר מחצי מיליון גלקסיות בתמונה: מצפה רובין פתח את שדה COSMOS למדע
- הירח החוץ־שמשי הראשון? גוף במסת צדק התגלה סביב ננס חום
