How do astronomers weigh a galaxy they cannot see inside?

By reading its light. A galaxy's spectrum encodes which types of stars it contains and in what proportions. Bright stars dominate the visual appearance but contribute less total mass than the population of faint, low-mass stars. Spectroscopy lets astronomers measure the mass fraction locked in dim stars, which changes the total mass estimate.

What is the initial mass function?

It describes the distribution of stellar masses when a population of stars forms. A top-heavy function produces more massive, luminous stars; a bottom-heavy function produces proportionally more small, faint ones. This study found early massive galaxies have a more bottom-heavy function than the Milky Way, meaning far more small stars than models assumed.

Are early universe galaxies really impossible?

Not literally impossible — but they challenge the standard model's predictions for how quickly large structures can assemble. The standard Lambda-CDM model predicts massive settled galaxies should form more slowly than JWST observations suggest. Each additional mass upward revision sharpens that tension.

Could the hidden stars in early galaxies host planets?

Low-mass stars are the most common planet hosts in the present-day universe. If the earliest galaxies harbored far more of them than assumed, the early universe may have contained more planetary systems than standard models predict. The study makes no habitability claims; the implication is statistical.

JWST avslører at tidlige galakser skjuler fire ganger mer masse i små stjerner

James Webbs spektrograf leser individuelle stjernepopulasjoner slik et prisme leser en flamme. Rett den mot en fjern galakse, samle nok fotoner, og det resulterende spekteret inneholder ikke bare informasjon om hvilke typer stjerner som finnes, men også i hvilke proporsjoner. Den målingen var alltid teoretisk mulig; på de avstandene det er snakk om – lys som forlot universet da det var mindre enn 1,5 milliarder år gammelt – hadde ingen andre teleskoper klart det pålitelig. James Webb-romteleskopet endret på det.

Resultatet, publisert i Nature Astronomy, er at ni massive galakser i det tidlige universet skjuler en stor populasjon av små, svake, lavmassestjerner bak det blendende lyset fra sine gigantiske motstykker. Disse skjulte stjernene legger til masse. For minst én galakse, dannet mindre enn 1,5 milliarder år etter Big Bang, kan den virkelige massen være fire ganger høyere enn noe tidligere estimat.

Det tallet betyr noe fordi moderne galakseformasjonsmodeller allerede slet med å forklare disse objektene. Nå må de forklare dem med fire ganger så stor masse.

Slik leser spektrografen det tidligere teleskoper ikke kunne

Stjerner kommer i et bredt spekter av masser, fra lyse, kortlivede giganter til små, svake, langlivede dverger. I enhver galakse bestemmer forholdet mellom store og små stjerner – kalt den initiale massefunksjonen – hvor mye masse som er bundet opp i svake stjerner som er for lyssvake til å oppdages individuelt på kosmologiske avstander.

Inntil nå måtte astronomer som jobbet med tidlige galakser anta at den initiale massefunksjonen så omtrent ut som den vi observerer i dagens Melkevei: en godt kalibrert blanding. Antakelsen var ikke urimelig. Den var bare ikke testbar.

JWSTs NIRSpec-instrument – dets nær-infrarøde spektrograf – fanger opp det kombinerte lyset fra en hel galakse og splitter det med en presisjon som ingen tidligere observatorium har kunnet matche på disse avstandene. Teknikken innebærer å identifisere subtile forskjeller i spektrale absorpsjonstrekk som er karakteristiske for lavmassestjerner, trekk som vanligvis drukner i glansen fra deres mer lyssterke følgesvenner. Teamet kombinerte JWST-spektrene med tilleggsdata fra Very Large Telescope for å begrense modellene sine.

«Målinger som dette var rett og slett ikke mulige før nylig,» sier Martje Slob, medforfatter på studien. «Vi trengte ikke bare et teleskop som kunne samle inn nok lys, men også spektre av eksepsjonelt høy kvalitet og nye analyseteknikker. Først da kunne vi pålitelig skille de subtile trekkene til små stjerner fra lyset til mye lysere stjerner.»

Studien undersøkte ni hvilende massive galakser – slike som allerede hadde fullført sin viktigste stjernedannende fase – ved hjelp av denne tilnærmingen. I alle tilfeller var den initiale massefunksjonen brattere enn Melkeveiens standard. Flere små stjerner. Mye mer masse.

Problemet med de «umulige» galaksene ble bare verre

Spenningen mellom hva galakseformasjonsmodeller forutsier og hva teleskoper har observert i det tidlige universet, er et av de mest omdiskuterte mysteriene i moderne kosmologi. I henhold til standardmodellen for kosmisk strukturformasjon skulle den første milliarden år ikke ha produsert galakser så store og gravitasjonelt stabile som dem JWST har funnet siden 2022.

Disse galaksene var allerede vanskelige å forklare. Denne studien gjør dem enda vanskeligere.

Hovedforfatter Chloe Cheng fra Leiden University kom med en analogi: «Hvis en galakse var en by, ville de lyseste stjernene være skyskraperne du umiddelbart kan se på lang avstand. Modellene våre viser at bak de lyseste stjernene finnes en mye større populasjon av små stjerner, som hus blant skyskraperne. Det betyr at galaksen som helhet er mye mer massiv enn tidligere estimater antydet.»

Tidligere masseestimater for tidlige massive galakser stolte på fotometri – total lysstyrke – kalibrert mot antakelser om stjernepopulasjoner. Spektroskopi er en mer direkte avlesning, selv om det krever langt mer teleskoptid og følsomhet. De nye estimatene tyder på at den fotometriske tilnærmingen konsekvent undervurderte massen, i noen tilfeller med en faktor på fire.

Hva de skjulte stjernene kan endre – utover kosmologien

Mariska Kriek, studiens seniorforfatter og professor ved Leiden University, pekte på en implikasjon som strekker seg utover galaksemasser: «Små stjerner har ofte planeter i bane rundt seg, så hvis det var mange flere små stjerner i det tidlige universet enn vi trodde, kan det også ha vært flere planeter.»

Lavmassestjerner – røde dverger og K-type stjerner – er de vanligste vertene for steinplaneter i dagens univers. Hvis de tidligste massive galaksene inneholdt en langt høyere andel av disse stjernene enn tidligere antatt, kan det tidlige universet ha vært et mer planetrikt sted enn standardmodellen har tillatt. Omfanget av den implikasjonen vil avhenge av hvor utbredt denne stjerne-skjevheten viser seg å være blant galaksepopulasjonen i det tidlige universet.

Hva studien ikke avgjør

Utvalget er ni galakser. Det tallet er en funksjon av observasjonstid og nåværende teleskopkapasitet, ikke en fullstendig telling. Studien viser at tilnærmingen fungerer og demonstrerer at effekten er reell – den initiale massefunksjonen i disse tidlige systemene er bunn-tung. Om det gjelder for hundrevis eller tusenvis av tidlige massive galakser, og med hvor mye masse, gjenstår å måle.

Studien tar heller ikke for seg mekanismen. Hvorfor de tidligste massive galaksene skulle ha dannet forholdsmessig flere lavmassestjerner enn dagens galakser, er et åpent spørsmål. Det kan henge sammen med forskjellig gassmetallisitet, temperaturer eller turbulens i det tidlige universet – hver av disse mulighetene ville ha forskjellige implikasjoner for galakseformasjonsmodeller. Spektralmålingen begrenser hva; hvorfor krever fortsatt mer data og teori.

Vanlige spørsmål om tidlig galaksemasse

Hvordan veier astronomer en galakse de ikke kan se inni?

Ved å lese lyset. En galakses spektrum inneholder informasjon om hvilke typer stjerner den inneholder og i hvilke proporsjoner. Lyse stjerner dominerer det visuelle utseendet, men bidrar med mindre total masse enn populasjonen av svake, lavmassestjerner. Spektroskopi lar astronomer måle massefraksjonen som er bundet opp i svake stjerner, noe som endrer totalmasseestimatet.

Hva er den initiale massefunksjonen?

Den beskriver fordelingen av stjernemasser når en populasjon av stjerner dannes. En topptung funksjon produserer flere massive, lyssterke stjerner; en bunntung funksjon produserer forholdsmessig flere små, svake stjerner. Funksjonen er ikke fast – den kan variere etter galaksetype, alder og miljø. Denne studien fant at tidlige massive galakser har en mer bunntung funksjon enn Melkeveien.

Er disse virkelig «umulige» galakser?

Ikke bokstavelig umulige – men de utfordrer standardmodellens spådommer om hvor raskt store strukturer kan samles i det tidlige universet. Standard Lambda-CDM-modellen tillater galakseformasjon, men hastigheten den forutsier for dannelse av massive, stabile galakser er langsommere enn det observasjoner har funnet. Hver oppjustering av massen skjerper denne spenningen.

Kan de skjulte stjernene ha planeter?

Lavmassestjerner er de vanligste planetvertene. Hvis de tidligste galaksene inneholdt langt flere av dem enn antatt, kan det tidlige universet ha hatt flere planetsystemer enn standardmodeller forutsier. Studien gjør ingen krav om beboelighet; implikasjonen er statistisk og avhenger av hvor utbredt den bunntunge massefunksjonen viser seg å være.

Leiden-teamet utvider sin spektrale analyse til et større utvalg av tidlige univers-galakser ved hjelp av allerede planlagte JWST-observasjonsprogrammer. Når den utvidede katalogen ankommer, vil de reviderte masseestimatene muliggjøre en mer definitiv test av om den bunntunge stjernefordelingen er typisk for tidlige massive galakser eller begrenset til en bestemt klasse av dem. De kosmologiske modellene som sliter med å forklare disse galaksene ved deres nåværende estimerte masser, vil da møte et mye større datasett.

Reference: 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

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