Od 50 lat ważą kosmos tą samą miarą. Bardzo niedobrze

Astronom patrzy na odległą galaktykę i widzi przede wszystkim jej najjaśniejsze gwiazdy. Tych małych, chłodnych i słabych zazwyczaj nie jest w stanie policzyć. Od ponad pół wieku radzi sobie więc inaczej: na podstawie widocznych olbrzymów szacuje, ile powinno istnieć niewidocznych maluchów. Nowa analiza danych z teleskopu Gaia pokazuje jednak, że podstawowe założenie, z którego korzystają obecnie naukowcy, może być zbyt mało rozbudowane. Różne miejsca naprawdę produkują różne zestawy gwiazd.

Problem nosi nazwę stellar initial mass function, czyli początkowej funkcji masy gwiazd – IMF. Nie jest to masa pojedynczej gwiazdy. IMF opisuje proporcje, w jakich podczas narodzin całej populacji powstają gwiazdy o różnych masach. Dużych i bardzo jasnych rodzi się niewiele. Małych, chłodnych i ciemnych – mnóstwo.

Dla astronomii jest to wprost genialny skrót. Światło odległej galaktyki jest zdominowane przez stosunkowo nieliczne, masywne gwiazdy, podczas gdy większości słabszej populacji nie sposób zobaczyć oddzielnie. Przyjmując określoną IMF, można na podstawie obserwowanego światła oszacować całą populację, a następnie m.in. masę gwiazdową galaktyki czy tempo powstawania nowych gwiazd.

Od dziesięcioleci w takich obliczeniach przyjmowano najczęściej, że IMF jest w przybliżeniu uniwersalna. Innymi słowy, znając proporcje gwiazd w naszym kosmicznym sąsiedztwie, możemy zastosować podobny przelicznik do galaktyki istniejącej miliardy lat temu. Właśnie to założenie zaczyna się obecnie chwiać.

Zespół Charlesa Steinhardta przy swojej pracy wykorzystał dane europejskiej misji Gaia. Zamiast jednak próbować rozdzielać pojedyncze gwiazdy w bardzo odległych galaktykach, astronomowie przyjrzeli się gromadom otwartym Drogi Mlecznej. To bardzo dobre laboratoria. Gwiazdy w jednej gromadzie powstały mniej więcej razem i z tego samego obłoku materii, dzięki czemu można porównywać całe populacje powstałe w różnych warunkach.

Punktem wyjścia był katalog 7167 gromad znalezionych w danych Gaia DR3. Po bardzo ostrych kryteriach jakościowych do końcowej analizy zostało 110. Tak mała próbka nie wynikała wyłącznie z ostrożności badaczy. Do sprawdzenia IMF potrzebne są gromady, w których Gaia widzi jednocześnie wystarczająco dużo rzadkich dużych gwiazd oraz słabych gwiazd po drugiej stronie interesującego badaczy zakresu mas.

Naukowcy skupili się na tzw. masie przełamania. To miejsce, w którym zmienia się proporcja pomiędzy gwiazdami z kolejnych zakresów mas. W standardowej funkcji Kroupy charakterystyczne przejście przypada w okolicach 0,5 masy Słońca. Tymczasem w badanych gromadach punkt ten wyraźnie się przesuwał. Co więcej, był silnie związany z wiekiem gromady: starsze populacje wykazywały wyższą masę przełamania. Po uwzględnieniu wpływu odległości zależność stała się jeszcze wyraźniejsza.

Badacze sprawdzili też najbardziej oczywiste wyjaśnienie. Gromada przez setki milionów lat się zmienia: masywne gwiazdy umierają, a słabsze mogą być wyrzucane na skutek oddziaływań grawitacyjnych. Takie procesy zmieniają kształt obserwowanej dziś populacji, ale według wykorzystanych modeli nie powinny przesuwać samej masy przełamania. Jeżeli więc ten punkt różni się pomiędzy gromadami, ślad najprawdopodobniej pochodzi jeszcze z chwili ich narodzin.

Wynik pasuje do tego, czego fizycy spodziewali się teoretycznie. Gwiazdy powstają, gdy ogromne obłoki molekularne rozpadają się na mniejsze zagęszczenia, które następnie zapadają się pod wpływem grawitacji. Przebieg tej fragmentacji zależy m.in. od temperatury gazu i związanej z nią prędkości dźwięku.

Inny obłok może więc produkować inny rozkład mas gwiazd. Co więcej, warunki w Drodze Mlecznej miliardy lat temu nie były identyczne z dzisiejszymi. Badanie wskazuje także na duże różnice pomiędzy gromadami o podobnym wieku, czyli kosmiczna fabryka gwiazd nie potrzebuje nawet miliardów lat, aby zmienić recepturę. Autorzy nie chcą więc wyrzucenia IMF do kosza. Chcą po prostu odejścia od założenia, że jedna jej wersja pasuje wszędzie.

I w tym miejscu wynik wychodzi daleko poza gromady Drogi Mlecznej. Teleskop Jamesa Webba znajduje bardzo młode galaktyki, które niekiedy wyglądają na zaskakująco masywne jak na czas dostępny od Wielkiego Wybuchu. Jak pisaliśmy w tekście: Coś jest nie tak z wiekiem galaktyk. Młody wszechświat ma starców, część obserwacji zmusza astronomów do zastanawiania się, jak tak wielkie układy zdążyły powstać tak wcześnie. Nowa praca podsuwa mniej dramatyczne rozwiązanie przynajmniej części takich przypadków.

Jeśli w gorętszych obłokach młodego Wszechświata powstawało proporcjonalnie więcej dużych, jasnych gwiazd, to galaktyka mogła wytwarzać dużo światła przy mniejszej całkowitej masie gwiazdowej. Zastosowanie do niej dzisiejszego przelicznika prowadziłoby więc do zawyżenia masy oraz tempa powstawania gwiazd. Autorzy pracy wskazują, że właśnie przy bardzo dużych przesunięciach ku czerwieni efekt powinien być szczególnie istotny.

Przeczytaj także:

Całe szczęście nie oznacza to, że 50 lat astronomii trzeba teraz przeliczyć od początku ani że wszystkie masy galaktyk są błędne. Wynik pokazuje jednak, że jedna z podstawowych miar nie musi być uniwersalną stałą natury. Może być lokalną wersją przepisu, który zmienia się wraz z warunkami. Przez pół wieku astronomowie używali więc bardzo dobrej miarki. Tylko właśnie odkryli, że Wszechświat nie zawsze korzysta z tej samej podziałki.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI