韦伯望远镜发现早期星系质量被低估4倍：小质量恒星大量隐藏于星光背后

詹姆斯·韦伯太空望远镜的光谱仪读取单个恒星族群的方式，就像棱镜读取火焰一样。将其对准一个遥远星系，收集足够的光子，所得光谱不仅编码了存在哪些类型的恒星，还编码了它们的比例。这种测量在理论上一直是可能的；但在所涉及的距离上——光在宇宙年龄不足15亿年时发出——此前没有任何望远镜曾可靠地做到过。詹姆斯·韦伯太空望远镜改变了这一切。

发表在《自然·天文学》上的研究结果显示，早期宇宙中的九个巨大星系，在其明亮巨星的耀眼光芒背后，隐藏着大量小型、暗淡、低质量的恒星。这些隐藏的恒星增加了质量。至少对于一个在大爆炸后不到15亿年形成的星系而言，其真实质量可能比此前任何估计值高出四倍。

这个数字之所以重要，是因为现代星系形成模型本已难以解释这些天体。现在，它们必须以四倍的质量来解释它们。

推荐阅读韦伯发现一座比银河系重数倍但几乎不自转的早期巨型星系

光谱仪如何读取此前望远镜无法读取的信息

恒星的质量范围很广，从明亮而短命的巨星到小型、暗淡、长寿的矮星。在任何星系中，大质量恒星与小质量恒星的比例——称为初始质量函数——决定了有多少质量被锁定在那些在宇宙学距离上无法单独探测到的暗淡恒星中。

在此之前，研究早期星系的天文学家不得不假设初始质量函数与今天银河系中观测到的大致相似：一个经过良好校准的混合体。这一假设并非不合理，只是无法检验。

韦伯的NIRSpec仪器——其近红外光谱仪——捕获整个星系的综合光线，并以此前任何天文台在这些距离上都无法匹敌的精度将其分解。该技术涉及识别低质量恒星特有的光谱吸收特征的细微差异，这些特征通常淹没在更明亮伴星的光芒中。研究团队将韦伯光谱与甚大望远镜的额外数据相结合，以约束他们的模型。

“此类测量直到最近才成为可能，”该研究的合著者Martje Slob表示。“我们不仅需要能够收集足够光线的望远镜，还需要极高品质的光谱和新的分析技术。只有这样，我们才能可靠地将小恒星的细微特征与更亮恒星的光线区分开来。”

该研究使用这种方法考察了九个宁静的巨大星系——即那些已经完成主要恒星形成阶段的星系。在每一个案例中，初始质量函数都比银河系的标准更陡峭。更多的小恒星，更多的质量。

“不可能”星系问题变得更加棘手

星系形成模型的预测与望远镜在早期宇宙中的观测之间的张力，是现代宇宙学中最受讨论的谜题之一。在宇宙结构形成的标准模型下，最初的十亿年不应产生像韦伯自2022年以来一直在发现的那些巨大且引力上已安定的星系。

那些星系本就难以解释。这项研究使它们更加难以解释。

莱顿大学的第一作者Chloe Cheng提供了一个类比：“如果一个星系是一座城市，最亮的恒星就是那些你从远处立刻就能看到的摩天大楼。我们的模型显示，在最亮的恒星背后，存在着一个数量大得多的小恒星族群，就像摩天大楼之间的房屋。这意味着整个星系的质量比先前估计的要大得多。”

此前对早期巨大星系的质量估计依赖于测光法——总亮度——并针对恒星族群的假设进行校准。光谱学是一种更直接的读取方式，尽管它需要多得多的望远镜时间和灵敏度。新的估计表明，测光方法一直系统性低估，在某些情况下甚至低估了四倍。

隐藏恒星可能改变的不只是宇宙学

该研究的高级作者、莱顿大学教授Mariska Kriek指出了超越星系质量的一个含义：“小恒星通常有行星围绕其运行，所以如果早期宇宙中的小恒星比我们想象的要多得多，那么行星也可能更多。”

低质量恒星——红矮星和K型星——是当今宇宙中岩质行星最常见的宿主。如果最早的巨大星系所含的这些恒星比例远高于先前假设，那么早期宇宙可能比标准模型所允许的拥有更多行星。这一含义的程度将取决于这种恒星偏差在早期宇宙星系族群中的普遍程度。

这项研究未解决的问题

样本是九个星系。这个数字是观测时间和当前望远镜能力的函数，而非完整普查。该研究证明了这种方法有效，并表明这种效应是真实的——这些早期系统中的初始质量函数是底部偏重的。这是否适用于数百或数千个早期巨大星系，以及质量差异有多大，仍有待测量。

该研究也未涉及机制问题。为什么最早的巨大星系形成的低质量恒星比例应高于现今星系，这是一个悬而未决的问题。这可能与早期宇宙中不同的气体金属丰度、温度或湍流有关——这些可能性中的每一种都会对星系形成模型产生不同影响。光谱测量约束了“是什么”；“为什么”仍需要更多数据和理论。

关于早期星系质量的常见问题

天文学家如何称量一个他们无法看到内部的星系？通过读取其光线。星系的光谱编码了它包含哪些类型的恒星及其比例。明亮的恒星主导了视觉外观，但对总质量的贡献却不如暗淡的低质量恒星族群。光谱学让天文学家能够测量锁定在暗淡恒星中的质量比例，这改变了总质量估计。

什么是初始质量函数？它描述了恒星族群形成时恒星质量的分布。顶部偏重的函数产生更多大质量、明亮的恒星；底部偏重的函数则产生比例更多的小型、暗淡恒星。该函数并非固定不变——它可能因星系类型、年龄和环境而异。这项研究发现早期巨大星系的初始质量函数比银河系更偏底部。

这些真的是“不可能”的星系吗？并非字面意义上的不可能——但它们挑战了标准模型对早期宇宙中大型结构形成速度的预测。标准的Lambda-CDM模型允许星系形成，但它预测巨大且安定的星系形成的速率比观测到的要慢。每一次质量上调都会加剧这种张力。

隐藏的恒星能否拥有行星？低质量恒星是最常见的行星宿主。如果最早的星系所含的此类恒星远多于假设，那么早期宇宙可能包含比标准模型预测更多的行星系统。该研究未作宜居性声明；其含义是统计性的，取决于底部偏重的质量函数的普遍程度。

莱顿团队正在利用已排定的韦伯观测计划，将光谱分析扩展到更大的早期宇宙星系样本。当这一扩展目录到来时，修订后的质量估计将能更决定性地检验底部偏重的恒星分布是早期巨大星系的典型特征，还是仅限于某一特定类别。那些在当前估计质量下已难以解释这些星系的宇宙学模型，届时将面对一个更大的数据集。

参考文献：Cheng等人，“Hidden mass in early galaxies revealed by bottom-heavy initial mass functions”，《自然·天文学》，2026年。DOI: 10.1038/s41550-026-02932-4

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

更多类似内容

詹姆斯·韦伯太空望远镜通过光谱在绘架座β星发现第三颗巨行星

“无限”星系：一场宇宙碰撞，为黑洞的起源带来新启示

詹姆斯·韦布望远镜发现百亿年前星系团，这个年龄不该如此致密

詹姆斯·韦布以16.4万星系绘出年轻宇宙的宇宙网最清晰图景

韦布望远镜测量了一个130亿年前的黑洞——它在所属星系形成之前就已存在

首次拍到行星诞生之处的圆盘在转动，而且有些地方不守规矩