How do astronomers weigh a galaxy they cannot see inside?

By reading its light. A galaxy's spectrum encodes which types of stars it contains and in what proportions. Bright stars dominate the visual appearance but contribute less total mass than the population of faint, low-mass stars. Spectroscopy lets astronomers measure the mass fraction locked in dim stars, which changes the total mass estimate.

What is the initial mass function?

It describes the distribution of stellar masses when a population of stars forms. A top-heavy function produces more massive, luminous stars; a bottom-heavy function produces proportionally more small, faint ones. This study found early massive galaxies have a more bottom-heavy function than the Milky Way, meaning far more small stars than models assumed.

Are early universe galaxies really impossible?

Not literally impossible — but they challenge the standard model's predictions for how quickly large structures can assemble. The standard Lambda-CDM model predicts massive settled galaxies should form more slowly than JWST observations suggest. Each additional mass upward revision sharpens that tension.

Could the hidden stars in early galaxies host planets?

Low-mass stars are the most common planet hosts in the present-day universe. If the earliest galaxies harbored far more of them than assumed, the early universe may have contained more planetary systems than standard models predict. The study makes no habitability claims; the implication is statistical.

JWST обнаружил в древних галактиках вчетверо больше массы, скрытой в малых звёздах

Спектрограф «Джеймса Уэбба» читает отдельные звёздные популяции так, как призма читает пламя. Наведи его на далёкую галактику, собери достаточно фотонов — и полученный спектр покажет не только типы присутствующих звёзд, но и их пропорции. Такое измерение всегда было теоретически возможно; на тех расстояниях — свет покинул галактики, когда Вселенной было менее 1,5 миллиарда лет, — ни один телескоп не выполнял его надёжно. Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) это изменил.

Результат, опубликованный в Nature Astronomy, состоит в том, что девять массивных галактик ранней Вселенной скрывают большое количество мелких, тусклых, маломассивных звёзд за ослепительным светом их гигантских собратьев. Эти скрытые звёзды добавляют массу. По крайней мере для одной галактики, сформировавшейся менее чем через 1,5 миллиарда лет после Большого взрыва, реальная масса может быть в четыре раза выше любой прежней оценки.

Эта цифра важна, потому что современные модели формирования галактик и так с трудом объясняли эти объекты. Теперь им предстоит объяснять их при вчетверо большей массе.

Как спектрограф читает то, что не могли прочесть прежние телескопы

Звёзды бывают очень разной массы — от ярких и недолговечных гигантов до мелких, тусклых, долгоживущих карликов. В любой галактике соотношение крупных звёзд к мелким — так называемая начальная функция масс — определяет, сколько массы заключено в тусклых звёздах, слишком слабых, чтобы их можно было обнаружить по отдельности на космологических расстояниях.

До сих пор астрономам, работавшим с ранними галактиками, приходилось предполагать, что начальная функция масс примерно такая же, как в сегодняшнем Млечном Пути: хорошо откалиброванная смесь. Допущение было не лишено оснований. Просто его невозможно было проверить.

Инструмент NIRSpec «Уэбба» — его ближний инфракрасный спектрограф — принимает суммарный свет целой галактики и разлагает его с точностью, недоступной ни одной прежней обсерватории на таких расстояниях. Метод заключается в выявлении тонких различий в спектральных линиях поглощения, характерных для маломассивных звёзд, — линий, которые обычно тонут в сиянии более ярких соседей. Команда объединила спектры JWST с дополнительными данными Очень большого телескопа (VLT), чтобы ограничить свои модели.

«Измерения такого рода были просто невозможны до недавнего времени, — говорит Мартье Слоб (Martje Slob), соавтор исследования. — Нужен был не только телескоп, способный собрать достаточно света, но и исключительно качественные спектры, а также новые методы анализа. Только тогда мы смогли надёжно отличить тонкие особенности маленьких звёзд от света гораздо более ярких звёзд».

В исследовании таким методом изучили девять спокойных массивных галактик — таких, которые уже завершили основную фазу звездообразования. В каждом случае начальная функция масс оказывалась круче, чем стандартная для Млечного Пути. Больше мелких звёзд. Гораздо больше массы.

Проблема «невозможных» галактик только усугубилась

Напряжение между тем, что предсказывают модели формирования галактик, и тем, что телескопы наблюдают в ранней Вселенной, — одна из самых обсуждаемых загадок современной космологии. Согласно стандартной модели формирования космических структур, первый миллиард лет не должен был порождать галактики столь крупные и гравитационно устоявшиеся, какие «Уэбб» находит с 2022 года.

Эти галактики и так было трудно объяснить. Данное исследование делает их ещё более сложными.

Ведущий автор исследования, Чэн (Chloe Cheng) из Лейденского университета, привела аналогию: «Если бы галактика была городом, самые яркие звёзды были бы небоскрёбами, которые сразу видно издалека. Наши модели показывают, что за самыми яркими звёздами скрывается гораздо более многочисленная популяция маленьких звёзд — как дома среди небоскрёбов. Это означает, что галактика в целом гораздо массивнее, чем предполагали прежние оценки».

Прежние оценки масс ранних массивных галактик опирались на фотометрию — общую яркость, — откалиброванную с учётом допущений о звёздном населении. Спектроскопия даёт более прямой результат, хотя требует гораздо больше времени наблюдений и чувствительности. Новые оценки показывают, что фотометрический подход систематически занижал массу — в некоторых случаях в четыре раза.

Что скрытые звёзды могут изменить за пределами космологии

Мариска Крик (Mariska Kriek), ведущий автор исследования и профессор Лейденского университета, указала на следствие, выходящее за рамки масс галактик: «У маленьких звёзд часто есть планеты на орбите, так что если в ранней Вселенной было гораздо больше маленьких звёзд, чем мы думали, то и планет там могло быть больше».

Маломассивные звёзды — красные карлики и звёзды K-типа — самые распространённые носители каменистых планет в современной Вселенной. Если самые ранние массивные галактики содержали гораздо более высокую долю таких звёзд, чем предполагалось ранее, ранняя Вселенная могла быть более населена планетами, чем допускает стандартная модель. Масштаб этого следствия будет зависеть от того, насколько широко распространён этот звёздный перекос среди популяции ранних галактик.

Что исследование не проясняет

Выборка — девять галактик. Это число связано с доступным временем наблюдений и возможностями телескопа, а не полной переписью. Исследование показывает, что метод работает, и демонстрирует, что эффект реален: начальная функция масс в этих ранних системах смещена в сторону маломассивных звёзд. Справедливо ли это для сотен или тысяч ранних массивных галактик — и насколько именно увеличивается масса, — ещё предстоит измерить.

Также исследование не затрагивает механизм. Почему самые ранние массивные галактики должны были формировать пропорционально больше маломассивных звёзд, чем современные галактики, — открытый вопрос. Это может быть связано с иной металличностью газа, температурой или турбулентностью в ранней Вселенной — каждая из этих возможностей имеет разные следствия для моделей формирования галактик. Спектральное измерение ограничивает «что»; «почему» всё ещё требует больше данных и теории.

Часто задаваемые вопросы о массе ранних галактик

Как астрономы взвешивают галактику, внутрь которой не могут заглянуть? Считывая её свет. Спектр галактики показывает, какие типы звёзд в ней содержатся и в каких пропорциях. Яркие звёзды доминируют в визуальном облике, но вносят меньший вклад в общую массу, чем популяция тусклых маломассивных звёзд. Спектроскопия позволяет астрономам измерить долю массы, заключённую в тусклых звёздах, что меняет общую оценку массы.

Что такое начальная функция масс? Она описывает распределение звёздных масс при формировании популяции звёзд. Функция с преобладанием массивных звёзд даёт больше крупных, ярких светил; функция с преобладанием маломассивных звёзд даёт пропорционально больше маленьких, тусклых. Функция не фиксирована — она может различаться в зависимости от типа галактики, возраста и окружения. Данное исследование показало, что у ранних массивных галактик функция более смещена в сторону маломассивных звёзд, чем у Млечного Пути.

Действительно ли это «невозможные» галактики? Буквально невозможными их назвать нельзя — но они бросают вызов предсказаниям стандартной модели о том, как быстро крупные структуры могут собираться в ранней Вселенной. Стандартная модель Lambda-CDM допускает формирование галактик, но скорость, с которой она предсказывает появление массивных устоявшихся галактик, ниже, чем показывают наблюдения. Каждое новое увеличение массы обостряет это противоречие.

Могут ли скрытые звёзды иметь планеты? Маломассивные звёзды — самые распространённые носители планет. Если ранние галактики содержали их гораздо больше, чем предполагалось, ранняя Вселенная могла вмещать больше планетных систем, чем предсказывают стандартные модели. Исследование не делает заявлений об обитаемости; следствие статистическое и зависит от того, насколько широко распространена смещённая к маломассивным звёздам функция масс.

Команда из Лейдена расширяет свой спектральный анализ на бо́льшую выборку ранних галактик в рамках уже запланированных программ наблюдений на JWST. Когда этот расширенный каталог появится, пересмотренные оценки масс позволят более определённо проверить, типично ли смещение в сторону маломассивных звёзд для ранних массивных галактик или ограничено определённым их классом. Космологические модели, которые с трудом объясняют эти галактики при их нынешних оценках масс, тогда столкнутся с гораздо более крупным набором данных.

Ссылка: Cheng et al., «Hidden mass in early galaxies revealed by bottom-heavy initial mass functions», Nature Astronomy, 2026. DOI: 10.1038/s41550-026-02932-4

Теги: James Webb Space Telescope, JWST, early universe, galaxy formation, initial mass function, leiden university