Ученые объяснили избыток ярких галактик в ранней Вселенной с помощью переменной начальной массы звезд

Наблюдения космического телескопа James Webb (JWST) выявили большее, чем ожидалось, количество ультрафиолетово-ярких галактик в ранней Вселенной, что не укладывается в рамки традиционных моделей формирования галактик. Международная группа исследователей представила результаты космологической симуляции, которая воспроизводит этот феномен за счет введения переменной начальной массовой функции звезд (IMF).

В работе, опубликованной на arXiv, авторы использовали модифицированную версию модели COLIBRE, где IMF зависит от плотности газа: в областях с высокой плотностью звезды рождаются более массивными (так называемая топ-тяжелая IMF). Это ключевое изменение позволяет звездным популяциям производить больше тяжелых элементов, пыли и энергии сверхновых, причем все эти параметры были самосогласованно скорректированы в симуляции.

Симуляция охватывает объем 100 мегапарсек в сопутствующих координатах и прослеживает эволюцию до красного смещения z=5. Результаты показывают, что при топ-тяжелой IMF далекие ультрафиолетовые светимости ранних галактик возрастают до четырех раз по сравнению с эталонной моделью, в которой применяется универсальная IMF. Так, при красном смещении z=15 галактики в новой симуляции достигают абсолютной звездной величины M_UV ? ?20, тогда как в стандартной модели — только ?18,5.

Однако этот эффект частично компенсируется на более поздних этапах из-за увеличения поглощения света пылью. Дополнительная пыль возникает как за счет выбросов из ядер коллапсирующих сверхновых, так и за счет эффективного роста пылинок в более металличном межзвездном газе.

Несмотря на различия в ранних светимостях, модель с топ-тяжелой IMF успешно воспроизводит наблюдаемую функцию масс галактик и оптическую функцию светимости при z=5 с точностью, сопоставимой со стандартной симуляцией. Обе модели также предсказывают наклон ультрафиолетового континуума, согласующийся с данными JWST.

Авторы подчеркивают, что предложенный механизм позволяет смягчить напряжение между теорией и наблюдениями, не прибегая к радикальным изменениям космологической модели. Работа демонстрирует, что допущение топ-тяжелой IMF в ранней Вселенной может быть реалистичным физическим объяснением избытка ярких высококрасных галактик, обнаруженных JWST.