韋伯望遠鏡揭示早期星系質量低估四倍：小質量恆星隱身巨星光芒之後

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的光譜儀如同稜鏡解析火焰一般，讀取個別恆星族群的組成。將鏡頭指向遙遠星系、收集足夠光子後，所得光譜不僅能顯示存在哪些恆星類型，還能呈現它們的比例。這種測量在理論上始終可行；但對於那些在宇宙年齡不到十五億年時便已發出的光芒——如此遙遠的距離——過去沒有任何望遠鏡能可靠完成。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡改變了這一切。

這項發表於《自然·天文學》的研究結果顯示，早期宇宙中的九個巨大星系，在其巨大恆星的眩目光芒背後，隱藏著大量小型、暗淡、低質量的恆星群體。這些隱藏的恆星增加了星系的質量。以其中一個形成於大爆炸後不到十五億年的星系為例，其實際質量可能比先前任何估計值高出四倍。

這個數字之所以重要，是因為現代星系形成模型本來就難以解釋這些天體。如今，它們必須在四倍質量下解釋這些星系。

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光譜儀如何讀出過去望遠鏡無法捕捉的訊息

恆星的質量範圍極廣，從明亮而短命的巨星，到小型、暗淡、長壽的矮星。在任一星系中，大質量恆星與小質量恆星的比例——稱為初始質量函數——決定了有多少質量被鎖在那些在宇宙學距離下無法單獨探測到的暗淡恆星中。

到目前為止，研究早期星系的天文學家只能假設初始質量函數大致與今日銀河系所觀測到的相似：一個經過良好校準的混合比例。這個假設並非不合理，只是過去無法驗證。

韋伯望遠鏡的近紅外光譜儀（NIRSpec）捕捉整個星系的綜合光線，並以過去任何觀測台在這些距離下都無法比擬的精度進行解析。這項技術涉及辨識低質量恆星特有的細微光譜吸收特徵——這些特徵通常淹沒在更明亮伴星的強光中。研究團隊將韋伯光譜與來自甚大望遠鏡的額外數據相結合，以約束其模型。

「這類測量直到最近才成為可能，」研究共同作者瑪特耶·斯洛布（Martje Slob）說。「我們不僅需要一台能收集足夠光線的望遠鏡，還需要極高品質的光譜和全新的分析技術。只有這樣，我們才能可靠地將小質量恆星的細微特徵與更亮恆星的光芒區分開來。」

該研究利用這種方法檢視了九個處於靜止狀態的巨質量星系——這些星系已經完成其主要恆星形成階段。在每一個案例中，初始質量函數都比銀河系的標準值更陡峭。更多的小質量恆星，意味著更多的質量。

「不可能的星系」問題變得更棘手

星系形成模型的預測與望遠鏡在早期宇宙中觀測到的結果之間的矛盾，是現代宇宙學中最受討論的謎題之一。在標準的宇宙結構形成模型下，宇宙最初十億年不應該產生出像韋伯望遠鏡自2022年以來不斷發現的那樣巨大且已達到重力平衡的星系。

那些星系本來就很難解釋。這項研究讓它們更難被理解。

萊頓大學的第一作者克洛伊·鄭（Chloe Cheng）提出一個比喻：「如果一個星系是一座城市，最亮的恆星就像摩天大樓，從遠處就能一眼看見。我們的模型顯示，在最亮的恆星背後，存在著數量多得多的低質量恆星，就像摩天大樓之間的房屋。這意味著整個星系的質量比先前估計的要大得多。」

先前對早期巨質量星系的質量估計，依賴於測量總亮度（測光法），並以恆星族群的假設進行校準。光譜學則是更直接的讀取方式，但需要更多的望遠鏡時間和靈敏度。新的估計顯示，測光法一貫低估了質量，在某些情況下甚至相差四倍。

隱藏恆星可能改變的不只是宇宙學

該研究的資深作者、萊頓大學教授瑪麗斯卡·克里克（Mariska Kriek）指出一個超越星系質量本身的意涵：「低質量恆星通常有行星環繞；如果早期宇宙中的低質量恆星比我們想像的多得多，那麼可能也存在更多行星。」

在當今宇宙中，低質量恆星——紅矮星和K型星——是岩質行星最常見的宿主。如果最早的巨質量星系所含的這類恆星比例遠高於先前假設，那麼早期宇宙可能比標準模型所允許的擁有更多行星。這個意涵的範圍取決於這種恆星偏倚在早期宇宙星系族群中普遍到何種程度。

這項研究未能解決的問題

樣本只有九個星系。這個數量受限於觀測時間和當前望遠鏡能力，並非完整普查。這項研究證明了該方法可行，並顯示效應確實存在——這些早期系統的初始質量函數偏向底部沉重。但這種情況是否適用於數百甚至數千個早期巨質量星系，以及質量差異有多大，仍有待測量。

該研究也未能解釋機制。為何最早的巨質量星系形成的低質量恆星比例比今日星系更高，仍是個開放問題。可能與早期宇宙不同的氣體金屬豐度、溫度或湍流有關——每種可能性都對星系形成模型有不同的意涵。光譜測量約束了「是什麼」；「為什麼」仍需要更多數據和理論。

關於早期星系質量的常見問題

天文學家如何為一個無法窺見內部的星系秤重？ 透過讀取其光線。星系的光譜編碼了它所包含的恆星類型及其比例。亮星主導了視覺外觀，但它們對總質量的貢獻卻少於那些暗淡低質量恆星族群。光譜學讓天文學家測量鎖在暗星中的質量比例，從而改變總質量估計。

什麼是初始質量函數？ 它描述了一個恆星族群形成時，質量的分佈。頂部沉重的函數會產生更多大質量亮星；底部沉重的函數則產生更多小質量暗星。這個函數並非固定不變——它可能因星系類型、年齡和環境而異。這項研究發現早期巨質量星系的初始質量函數比銀河系更偏向底部沉重。

這些星系真的是「不可能」的嗎？ 並非字面上的不可能——但它們挑戰了標準模型對早期宇宙中大型結構能多快形成的預測。標準的ΛCDM模型允許星系形成，但它預測巨質量平衡星系形成的速度比觀測結果慢。每一次質量上修都加劇了這種矛盾。

隱藏的恆星能孕育行星嗎？ 低質量恆星是最常見的行星宿主。如果最早的星系擁有比假設多得多的這類恆星，那麼早期宇宙可能包含比標準模型預測更多的行星系統。該研究未對適居性做出任何宣稱；其意涵是統計性的，取決於底部沉重的質量函數究竟有多普遍。

萊頓團隊正利用已排定的韋伯望遠鏡觀測計畫，將光譜分析擴展到更大的早期宇宙星系樣本。當這個擴展目錄到位後，修正後的質量估計將能進行更決定性的測試，看看底部沉重的恆星分佈是早期巨質量星系的典型特徵，還是僅限於某一特定類別。屆時，那些在當前估計質量下已難以解釋這些星系的宇宙學模型，將面對一個規模大得多的數據集。

參考文獻：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

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

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