天文學家發現，早期宇宙中一些最大的星系所包含的小恆星數量，遠比科學家先前所認識的要多。這群隱藏的恆星意味著這些古老星系的質量可能比早期估計值顯著來得大。
這項由包含賓州州立大學研究人員在內的國際團隊所做的發現，加劇了對第一批星系如何形成與演化的理論的挑戰。這些研究結果已發表在《自然天文學》期刊上。
韋伯太空望遠鏡揭示古老星系中的微弱恆星
研究人員利用美國國家航空暨太空總署（NASA）的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST），檢視了九個巨大的成熟星系，這些星系在數十億年前就已停止產生新恆星。他們將JWST對遙遠宇宙的觀測與先前從極大望遠鏡（Very Large Telescope）獲得的地面數據結合。
該團隊首次能夠可靠地估計在如此遙遠距離的星系中，小而微弱的恆星與大而明亮的恆星之間的相對數量。
「這些星系很不一樣，」賓州州立大學天文學與天體物理學副教授、該論文的共同作者喬爾·勒賈（Joel Leja）表示。「它們的差異方式非常難以理解，因為它們比我們預期的質量更大——像是質量大很多，它們的質量是我們預期的三到四倍。」
天文學家透過將每個星系的光分解成光譜來進行測量。該光譜中微小的顏色變化可以揭示存在哪些種類的恆星。
困難之處在於，明亮的恆星主導了光線，而較小的恆星則暗得多，也更難識別。賓州州立大學的研究人員為模擬從星系系統偵測到的光提供了專業知識和指導。
明亮的恆星可能隱藏著龐大的恆星族群
「如果一個星系是一座城市，最亮的恆星就像是摩天大樓，從遠處就能立刻吸引你的目光，」該研究的主要作者、萊頓大學近期博士畢業生克洛伊·程（Chloe Cheng）說。「我們的模型顯示，那些稀有的明亮恆星掩蓋了數量遠比它們多的低質量恆星，就像摩天大樓之間隱藏的房屋一樣。因此，這個星系的質量比先前的估計值要大得多。」
傳統上，估計隱藏在小而微弱恆星中質量的天文學家，都假設恆星在宇宙中的形成比例大致相似。新的發現挑戰了這個長久以來的假設。
研究人員發現，早期宇宙中最巨大的星系，似乎比像銀河系這樣較小的星系擁有更多比例的低質量恆星。
根據共同作者、萊頓大學博士候選人瑪蒂耶·斯洛布（Martje Slob）的說法，其中一個星系尤其突出。它可能在大爆炸後不到一十五億年就已形成，其質量可能比先前的計算結果高出四倍。
「直到最近，像這樣的測量根本不可能，」斯洛布說。「我們不僅需要一台能夠放大極遙遠星系的望遠鏡，還需要高品質的光譜和新的分析技術，才能可靠地偵測到隱藏在這些宇宙巨獸中微弱、低質量恆星的細微跡象。」
早期宇宙的更大謎團
這些發現可能對試圖理解年輕宇宙中星系如何發展的科學家產生重大影響。
自從JWST開始觀測宇宙以來，天文學家們一再發現相對早於大爆炸時期就存在的、出乎意料的巨大且成熟的星系。這些發現已經對現有的星系形成模型造成壓力。
「這項發現對我們理解早期宇宙至關重要，」勒賈說，他也隸屬於賓州州立大學計算與數據科學研究所。「自從JWST發射以來，天文學家們發現了在大爆炸後不久就已存在的、令人驚訝的巨大且成熟的星系。這些非常早期的星系被認為會演化成這項工作中研究的星系類型；將這些巨大、早期形成的星系中的恆星數量增加高達四倍，進一步加劇了這些緊張關係。」
如果像這樣的星系包含比研究人員先前估計的顯著更多的恆星，那麼星系形成理論就必須解釋為何如此龐大的數量的小恆星能在宇宙歷史如此早期就出現。
隱藏的恆星也可能意味著更多早期行星
其影響可能超出星系形成。
「這個結果表明，比先前認為的更多質量隱藏在低質量恆星中，」領導這項研究並擔任萊頓天文台星系外天文學教授的瑪麗斯卡·克里耶克（Mariska Kriek）說。「這對天文學的許多領域都有影響。例如，由於許多行星繞著低質量恆星運行，這甚至可能表明早期宇宙中形成的行星比我們先前假設的要多。」
在接下來的幾年裡，研究人員計劃使用相同的技術來研究更早期時期的星系。他們的目標是將觀測推向更接近宇宙第一代恆星和星系開始出現的時間。