韦布望远镜在早期宇宙中的重要发现
韦布望远镜在早期宇宙中的重要发现
韦布望远镜的最新观测数据揭示了一个令人惊讶的现象：在宇宙早期，大质量星系的数量远超天文学家的预期。这一发现不仅挑战了现有的星系形成理论，也为理解宇宙早期的物理条件提供了新的线索。
一个来自多国的天文学家小组对詹姆斯·韦布（JWST）太空望远镜拍摄的图像进行了筛选，发现早期宇宙中出现的大质量星系数量比预期的要多。他们的研究结果为大量早期大质量星系的存在提供了新的证据，这使得天文学家重新评估星系形成和演化的模型。
这张充满星系的图像，这是韦布望远镜的宇宙演化早期发布科学调查(CEERS)巡天观测到的一小部分。图源：NASA / ESA / CSA / Steve Finkelstein (UT Austin)
当光在不断膨胀的宇宙中传播时，它的波长会向光谱的红端移动，这被称为红移。因此，原本发出紫外线和可见光的遥远星系，在我们看来是红外波长的。多亏了JWST敏锐的红外视野，我们才能看到比以前更多的东西。
这项发表在《天文学报》上的新研究利用了JWST于2022年在近红外和中红外波段进行的两组观测结果。研究人员在这些观测中发现了261个大质量星系，并观察了它们的数量在宇宙时间中的变化情况。
研究小组非常小心地只观察那些中心特大质量黑洞没有吸食恒星的星系。因为当黑洞在吸食恒星时，流向这些黑洞的气体所发出的光芒会覆盖恒星自身的光，误使星系看起来比实际质量更大。相比之下，拥有安静黑洞的星系发出的光几乎完全来自恒星。
研究人员根据距离对星系进行分组，发现大质量星系的数量随着宇宙时间的推移而增加，这与星系形成模型的预测一致。这是因为星系需要时间才能变得巨大，无论是通过与其他星系合并还是形成自己的恒星。
这是JWST对近邻宇宙中恒星形成的壮丽景象之一:“创生之柱”展示了一个充满混沌美感的恒星诞生地。图源：ASA / ESA / CSA / STScI; Image Processing: Joseph DePasquale (STScI), Alyssa Pagan (STScI)
但是在足够远的距离上——也就是说，当宇宙小于15亿年的时候——大质量星系与预期的相比更多。
没有参与这项研究的西澳大利亚大学的克劳迪娅·拉各斯说，这些模型在早期宇宙中失效“可能并不令人惊讶”。她指出，毕竟这些模型的设计是为了重现对当前近邻宇宙的观测，而不是JWST接收到红移光的那个早已逝去的宇宙。
确切地说，为什么结果与模型不同还不清楚。研究团队提出了两种可能的解释。首先，在早期宇宙中气体可能比现在更有效地冷却和凝结成恒星。现代恒星的形成是一个草率而浪费的过程，在这个过程中，只有一小部分可用质量转化为恒星。然而，情况并非总是如此。
同样没有参与这项研究的密歇根州立大学的杰拉德·马克·沃伊特说:“在今天的星系中，恒星的形成是自我限制的，因为它释放了所有的能量，但也许这些限制直到宇宙年龄超过10亿年才开始发挥作用。”尽管当时的整体宇宙条件非常不同，早期的流线型转换会使一些星系膨胀到巨大的比例。
另一种解释是，JWST观测到的遥远星系的质光比低于近邻宇宙。天文学家利用这个比率计算出星系的恒星质量分布，并从中得出一系列其他特性。因此，知道正确的比例是关键。然而，这一比例最终是一个基于恒星形成理论的估计，它会随着时间的推移而变化。它可能需要根据这些新发现进行更新。
拉各斯认为该团队的建议“非常合理”，同时警告说，他们的结论取决于对星系质量的准确估计。如果这些都被高估了，那“将完全冲淡原有的模型与观察结果之间的矛盾”。
为了确定这些解释是否站得住脚，还需要进一步的测量。该研究的作者指出，对星系团的观察是更好地理解恒星形成效率的一种手段。
显而易见的是，JWST带着黄金镜子漂浮在太空中，就像一些巨大的宇宙向日葵，正在不断突破边界，让天文学家保持警觉。拉各斯兴奋地说:“我们正处于一个新时代，所有这些精妙的观测都让我们非常努力地思考我们在做什么，以及我们对星系和结构形成的真正理解，这非常令人兴奋!”
本文原文来自《天空与望远镜》杂志