Masa galaktyki nie jest wielkością, którą można po prostu odczytać z pojedynczego obrazu. Astronomowie oceniają ją na podstawie tego, co udaje się zaobserwować. Jeżeli część znajdujących się w galaktyce gwiazd jest bardzo mała i słabo świeci, może mieć mniejszy udział w obrazie niż jaśniejsze składniki. Wtedy oszacowanie całkowitej masy obiektu może okazać się zaniżone.
Właśnie taki problem ujawniły obserwacje wykonane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Astronomowie badający masywne galaktyki z wczesnego Wszechświata znaleźli w nich znacznie więcej małych i słabo świecących gwiazd, niż zakładano. Ta populacja była trudniejsza do uwzględnienia w dotychczasowych ocenach. Gdy zostaje dodana do pozostałych składników galaktyki, obliczona masa niektórych obiektów rośnie trzy- lub czterokrotnie.
Jak światło wpływa na ocenę masy
W obserwacjach odległych galaktyk punktem wyjścia jest ich światło. Astronomowie analizują widoczne składniki i na tej podstawie próbują określić, ile materii znajduje się w badanym obiekcie. Taki sposób postępowania pozwala porównywać galaktyki i oceniać ich rozwój, ale wynik zależy od tego, jak dobrze uchwycone zostały wszystkie gwiazdy.
Jasne gwiazdy łatwiej rozpoznać. Ich światło wyraźniej wpływa na obraz odległej galaktyki, dlatego mogą mieć większy udział w jej opisanym wyglądzie. Małe, słabe gwiazdy są natomiast trudniejsze do zauważenia. Jeśli jest ich dużo, pojedynczo mogą pozostawać niemal niewidoczne, a ich łączny wkład nie musi być od razu oczywisty. Dopiero uwzględnienie całej tej grupy zmienia ocenę masy galaktyki.
Nie chodzi więc o to, że sama galaktyka nagle stała się cięższa. Zmienił się sposób jej opisu. Wcześniejsza ocena opierała się na widocznych składnikach, a nowsze obserwacje wskazują, że obraz ten nie obejmował pełnej populacji gwiazd. Po dodaniu słabo świecących obiektów otrzymuje się wyższą wartość całkowitej masy.
Co oznacza wynik Webba
Najważniejsza konsekwencja odkrycia dotyczy interpretowania bardzo odległych galaktyk. Jeżeli podobne obiekty zawierają więcej małych gwiazd, niż sądzono, wcześniejsze szacunki ich masy wymagają ponownego rozpatrzenia. Dotyczy to szczególnie masywnych galaktyk istniejących we wczesnym Wszechświecie.
Wynik nie jest wyłącznie korektą pojedynczej liczby. Masa jest jednym z podstawowych elementów opisu galaktyki. Informuje, z jak dużym obiektem mamy do czynienia i pomaga porównywać jego rozwój z modelami opisującymi powstawanie galaktyk. Jeżeli przyjęta masa była zaniżona, zmienia się również punkt odniesienia dla rozważań o tym, jak szybko dana galaktyka urosła i jak dojrzała.
Odkrycie pogłębia problem, który już wcześniej wiązał się z obecnością ogromnych i dojrzałych galaktyk wkrótce po Wielkim Wybuchu. Ich istnienie na tak wczesnym etapie historii Wszechświata było trudne do wyjaśnienia. Większa niż dotąd sądzono masa dodatkowo komplikuje modele opisujące ich szybki rozwój. Modele muszą bowiem uwzględnić nie tylko samą obecność takich galaktyk, lecz także ich większy rozmiar masowy.
Dlaczego słabe gwiazdy mają duże znaczenie
Pojedyncza mała gwiazda może mieć niewielki wpływ na obserwowany obraz. Znaczenie zyskuje jednak cała populacja. Jeśli takich gwiazd jest bardzo dużo, suma ich mas może wyraźnie zmienić ocenę masy galaktyki, nawet gdy ich światło nie dominuje w obserwacjach.
To ważna lekcja dotycząca badań astronomicznych: widoczność nie zawsze odpowiada znaczeniu. Najjaśniejsze składniki mogą najsilniej przyciągać uwagę, ale słabsze obiekty, występujące licznie, również wpływają na właściwości całego układu. W tym przypadku właśnie ta zależność prowadzi do zmiany wniosków dotyczących masy odległych galaktyk.
Obserwacje Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba pokazują więc, że dokładniejsze badanie galaktyk wymaga uwzględniania także składników trudnych do dostrzeżenia. Nie wystarczy opisać tego, co świeci najmocniej. Trzeba również sprawdzić, czy w tle nie znajduje się liczna grupa słabych gwiazd, której łączny udział jest znaczny.
Możliwe znaczenie dla badań planet
Wynik może mieć konsekwencje nie tylko dla modeli powstawania galaktyk. Jeśli we wczesnych galaktykach rzeczywiście było więcej gwiazd o małej masie, niż wcześniej przypuszczano, planety krążące wokół takich gwiazd mogły występować tam częściej, niż zakładali naukowcy.
To połączenie wynika z samej zmiany obrazu populacji gwiazd. Wcześniejsze oceny opierały się na mniejszej liczbie dostrzeganych małych gwiazd. Po uwzględnieniu ich większej liczby zmienia się nie tylko masa galaktyki, lecz także wyobrażenie o tym, ile takich gwiazd mogło tworzyć środowisko dla planet.
Odkrycie Webba przypomina zatem, że obraz młodego Wszechświata może zależeć od obiektów, które są trudne do bezpośredniego zauważenia. Małe i słabe gwiazdy nie dominują w obserwacji, ale ich liczebność może zmienić ocenę całej galaktyki. To właśnie dlatego pozornie niewidoczna populacja stała się istotna dla rozumienia masy, rozwoju i możliwego otoczenia planetarnego najwcześniejszych galaktyk.