早期星系比想象中更“重”
天文学家一直以为，宇宙最早一批大质量星系的质量已经大致清楚。但一项新研究显示，这些星系可能比此前估算重得多。问题不在那些明亮的大恒星，而在被它们光芒盖住的大量小恒星。
宾夕法尼亚州立大学科学家参与的研究发现，一些早期大质量星系中，低质量小恒星的数量远超预期。它们发出的光很弱，长期被少数明亮恒星遮蔽，导致此前对星系总质量的判断偏低。相关论文近日发表在《自然·天文学》上。
九个大质量星系被重新审视
研究团队利用美国国家航空航天局的詹姆斯·韦布空间望远镜，结合甚大望远镜此前的地面观测数据，对九个早已停止形成恒星的大质量成熟星系进行调查。这些星系距离地球极远，形成于数十亿年前。
通过把两种观测结果结合起来，研究人员第一次能够较为可靠地估算出，在如此遥远的星系中，微小暗星与明亮大星各自的数量比例。宾夕法尼亚州立大学天文学与天体物理学副教授、论文共同作者乔尔·莱亚说：“这些星系不一样。它们不一样的方式真的很难理解，因为它们比我们预期的更大——大得多，质量是我们预期的三到四倍。”
像摩天大楼与房屋的关系
为了找出那些暗弱恒星，天文学家把每个星系的光分解成光谱。光谱中细微的颜色差异能显示星系里存在哪些类型的恒星。通常情况下，大质量明亮恒星会在光谱中占据主导，让低质量暗星的特征很难被单独识别出来。
论文第一作者、莱顿大学近期博士毕业生克洛伊·程用一个比喻解释这种遮蔽效应：“如果一个星系是一座城市，最亮的恒星就是从远处立刻吸引你目光的摩天大楼。我们的模型显示，数量多得多的低质量恒星被那些稀少的亮星遮住了，就像藏在摩天大楼之间的房屋。结果，这个星系比此前估计的要大得多。”
传统恒星比例假设受到挑战
过去，天文学家估算小暗星中隐藏的质量时，通常假设恒星在整个宇宙中以大致相同的比例形成。新测量结果对这一假设提出了挑战。数据显示，早期宇宙中质量最大的星系里，低质量恒星所占的比例明显高于银河系这类质量较小的星系。
论文共同作者、莱顿大学博士生马尔切·斯洛布指出，样本中有一个星系尤其突出。它很可能形成于宇宙诞生后不到15亿年。这意味着，在宇宙相当早期的阶段，某些星系就已经积累了比此前认为的多得多的恒星质量。
早期星系形成模型需要修正
这项发现直接冲击了现有关于第一批星系如何聚集形成的理论。如果早期大质量星系的实际质量普遍达到此前估算的三到四倍，那么星系在宇宙早期如何快速成长、恒星如何高效形成，都需要重新解释。
研究人员强调，目前的结果来自对九个星系的观测。它们都是已经停止形成恒星的成熟星系，并不能代表所有早期星系。但样本中出现的系统性偏差已经足够明显，说明传统恒星比例假设在极端条件下可能不再适用。
小恒星为何长期被低估
低质量恒星数量庞大，但单颗亮度极低。在遥远星系的光谱中，它们留下的信号非常微弱，容易被少数明亮大恒星完全淹没。此前受观测精度限制，天文学家很难把这两类恒星的光区分开。
詹姆斯·韦布空间望远镜的红外观测能力改变了这一点。它能够捕捉到更暗弱的光谱特征，让研究团队得以从明亮恒星的强光中分离出低质量恒星的贡献。这也是首次在如此遥远的星系中做到这一点。
对星系质量估算的连锁影响
星系质量是理解星系演化的基础参数。如果早期大质量星系的实际质量被系统性低估，那么与此相关的恒星形成速率、暗物质含量、星系合并历史等一系列结论都可能需要重新审视。
莱亚表示，这些星系“比我们预期的更大——大得多”。这种偏差不是个别星系的偶然现象，而是出现在多个样本中。研究团队认为，早期宇宙中恒星形成的初始质量分布，可能与今天银河系附近观测到的规律存在显著差异。
下一步需要更多样本验证
目前的研究只覆盖了九个星系。要确认这种“小恒星占比偏高”的现象是否普遍存在，还需要对更多早期大质量星系进行类似的光谱分析。研究团队计划利用韦布望远镜继续扩大样本。
如果后续观测证实这一趋势，那么天文学家可能需要修改恒星初始质量函数——描述不同质量恒星形成数量的基本规律。这一函数在宇宙早期可能并非恒定不变，而是随着星系质量和环境发生变化。