فرض اصلی ستاره‌شناسان درباره تشکیل ستارگان اشتباه است؛ اندازه‌گیری کهکشان‌ها بازتعریف می‌شود

برای بیش از نیم قرن، ستاره‌شناسان به یک فرض آرامش‌بخش تکیه کرده بودند: جهان ستارگان را با استفاده از یک دستورالعمل واحد و جهانی می‌پزد. این قاعده که به عنوان «تابع جرم اولیه» (Initial Mass Function یا IMF) شناخته می‌شود، حکم می‌کند که به ازای هر ستاره پرجرم و بسیار درخشانی که در یک ابر گازی متولد می‌شود، تعداد قابل پیش‌بینی از ستارگان کوتوله کوچک‌تر و نامرئی نیز در کنار آن ایجاد می‌شوند. این فرض به عنوان معیار اساسی برای اندازه‌گیری کیهان عمل کرده است. از آنجا که تلسکوپ‌ها نمی‌توانند ستارگان کم‌نور را در کهکشان‌های دوردست تفکیک کنند، ستاره‌شناسان به سادگی غول‌های درخشان را می‌شمارند و آن را در نسبت ثابت IMF ضرب می‌کنند تا جرم کلی و تاریخچه تشکیل ستاره‌ای یک کهکشان را محاسبه کنند.[1][2]

اما یک تحلیل جدید از خوشه‌های ستاره‌ای راه شیری ثابت می‌کند که این فرض اصلی دارای نقص است. جهان از یک دستورالعمل واحد استفاده نمی‌کند. در عوض، نسبت ستارگان بزرگ به کوچک بسته به محیط محلی که ستارگان در آن متولد می‌شوند، به طور چشمگیری تغییر می‌کند. این یافته‌ها که این هفته در نشریه «نامه‌های ژورنال اخترفیزیک» (The Astrophysical Journal Letters) منتشر شد، نشان می‌دهد که توزیع جرم ستاره‌ای جهانی نیست، بلکه بسیار انعطاف‌پذیر است.[1]

شواهد از مجموعه داده‌های عظیمی به دست آمده است که توسط مأموریت گایا (Gaia) آژانس فضایی اروپا جمع‌آوری شده است؛ مأموریتی که موقعیت و ویژگی‌های تقریباً دو میلیارد ستاره را در کهکشان خودمان نقشه‌برداری کرده است. محققان دانشگاه میسوری و دانشگاه روچستر کهکشان‌های دوردست و تفکیک‌نشده را کنار گذاشتند و در عوض بر خوشه‌های ستاره‌ای باز در همین کهکشان راه شیری تمرکز کردند. از آنجا که این خوشه‌ها به اندازه کافی نزدیک هستند که بتوان ستارگان کم‌جرم منفرد را مستقیماً شمارش کرد، آنها به عنوان یک آزمایشگاه عالی برای آزمودن IMF عمل می‌کنند.[1][2]

آنچه داده‌ها در واقع نشان می‌دهند، به طرز شگفت‌انگیزی واضح است: نقطه تقسیم در جرم‌های ستاره‌ای – «جرم شکست» که در آن توزیع تغییر می‌کند – از خوشه‌ای به خوشه دیگر متفاوت است. در خوشه‌های خاصی که مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند، محققان جرم‌های شکست متفاوتی را شناسایی کردند، مانند ۱.۲۸ جرم خورشیدی در یک محیط، که نمی‌توانست با سن خوشه یا تکامل دینامیکی بعدی آن توضیح داده شود. تنها توضیح باقی‌مانده این است که نسبت تولد اولیه خود متفاوت بوده است.[1][2]

سازوکار پشت این تغییر در شرایط فیزیکی ابرهای مولکولی ستاره‌زا نهفته است. تشکیل ستاره در داخل مناطق پیچیده‌ای از گاز و غبار رخ می‌دهد و این محیط‌ها از نظر دما، چگالی، فلزینگی (Metallicity) و تلاطم به شدت با یکدیگر تفاوت دارند. شواهد جدید پیش‌بینی‌های نظری دیرینه‌ای را تأیید می‌کند که این تفاوت‌های محیطی مستقیماً بر تکه‌تکه شدن ابر گازی تأثیر می‌گذارند و تعادل نهایی بین غول‌های پرجرم و کوتوله‌های کم‌جرم را تغییر می‌دهند.[1][2]

پیامدهای این کشف عمیق است و تمام اندازه‌گیری‌های کهکشانی را بازتعریف می‌کند. اگر یک کهکشان دوردست نسبت متفاوتی از ستارگان کم‌جرم نسبت به آنچه مدل استاندارد فرض می‌کند داشته باشد، جرم ستاره‌ای استنباط شده آن به طور سیستماتیک مغرضانه خواهد بود. همانطور که نویسندگان این مطالعه اشاره کردند، کهکشان‌های دیگر قوانین فیزیک را نقض نمی‌کردند—بلکه ستاره‌شناسان صرفاً آنها را با معیار اشتباهی اندازه‌گیری می‌کردند.[1]

این وابستگی محیطی مستقیماً به یک معمای بزرگ که اخیراً توسط تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) مطرح شده است، می‌پردازد. JWST کهکشان‌های اولیه و دوردستی را مشاهده کرده است که به طرز غیرممکنی پرجرم به نظر می‌رسند و ظاهراً مدل‌های موجود تکامل کیهانی را به چالش می‌کشند. یک IMF متغیر راه‌حل واضحی ارائه می‌دهد: اگر محیط‌های شدید کیهان اولیه، ایجاد ستارگان پرجرم و درخشان را بر کوتوله‌های کوچک ترجیح داده باشند، آن کهکشان‌ها بدون اینکه واقعاً حاوی جرم کلی غیرممکنی باشند که یک IMF جهانی پیشنهاد می‌کند، به شدت درخشان به نظر می‌رسند.[1][3]

با این حال، محققان در مورد محدودیت‌های شواهد فعلی صریح هستند. در حالی که داده‌های گایا اثبات مستقیمی از تغییرات IMF در کهکشان راه شیری ارائه می‌دهد، اعمال این تغییرات ریاضی دقیق در مورد کیهان اولیه همچنان یک برون‌یابی (Extrapolation) است. این مطالعه نه ثابت می‌کند که تغییرات IMF به تنهایی هر کهکشان اولیه پرجرم غیرمنتظره مشاهده شده توسط JWST را توضیح می‌دهد، و نه دقیقاً مشخص می‌کند که کدام عامل محیطی—مانند دمای گاز یا قدرت میدان مغناطیسی—محرک اصلی تغییر نسبت‌ها است.[1][2]

تیم تحقیقاتی پیشنهاد نمی‌کند که ستاره‌شناسان IMF را به طور کامل کنار بگذارند. در عوض، آنها از یک رویکرد انعطاف‌پذیرتر و وابسته به محیط حمایت می‌کنند. مدل‌های کیهان‌شناسی آینده باید شرایط خاص اطراف یک منطقه ستاره‌زا را برای انتخاب الگوی توزیع جرم صحیح، در نظر بگیرند.[1][3]

گذار به این چارچوب جدید چالش‌برانگیز خواهد بود. یک کهکشان واحد حاوی ستارگانی است که در محیط‌ها و دوره‌های زمانی مختلف تولید شده‌اند، به این معنی که جمعیت ستاره‌ای ترکیبی آن ممکن است با هیچ IMF ساده و واحدی مطابقت نداشته باشد. ستاره‌شناسان باید توصیفات انعطاف‌پذیری برای این جمعیت‌های ترکیبی ایجاد کرده و آنها را در برابر شبیه‌سازی‌های پیشرفته آزمایش کنند.[3]

در نهایت، فروپاشی تابع جرم اولیه جهانی (IMF) نشان‌دهنده بلوغ در اخترفیزیک است. ثابت می‌شود که جهان پیچیده‌تر از مدل‌های ساده‌ای است که در قرن بیستم فرض می‌شد، اما با شناسایی و اندازه‌گیری این پیچیدگی، دانشمندان به وزن کردن دقیق کیهان نزدیک‌تر می‌شوند.[1][3]