在他们探索理解照亮宇宙的第一批恒星和星系的征程中，天文学家们仍然处于黑暗之中——但每次发现都离启蒙更近一步。
这就是詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）初步观测得出的几乎不可避免的结论，这个耗资 100 亿美元的观测站在 7 月开始了科学运行。JWST 的设计目的是瞥见宇宙最早发光物体的微弱红外光芒，其视野可以追溯到大爆炸后的最初数亿年，使其能够获得比以往任何设施都更多、更好的关于新生星系的数据。但它收获的星系“婴儿照片”比大多数研究人员敢于梦想的还要丰富。简而言之，早期宇宙中的候选星系以前所未有的数量涌现，迄今为止已经发现了数十个。要解释这种过量现象，可能需要对流行的宇宙学模型进行重大修正，这些变化可能涉及最早的星系形成得更早、它们的恒星更明亮——或者暗物质或暗能量的本质可能比以前认为的更加复杂和神秘。
现在，JWST 最令人兴奋的两个早期候选星系经受住了进一步的审查，加强了科学家们对宇宙历史知识至关重要的不完整的怀疑。这两个星系分别追溯到大爆炸后 3.5 亿年和 4.5 亿年，在被发现时，它们都比之前已知的任何星系都更古老。它们由两个团队独立发现，一个由罗汉·奈杜领导，他现在在麻省理工学院，另一个由意大利罗马天文台的马可·卡斯特拉诺领导。这两篇发现论文最初发布在预印本服务器 arXiv.org 上，现在已经清除了同行评审出版的关键障碍，分别在 11 月下旬和 10 月出现在《天体物理学杂志快报》上。这不仅仅是一个仪式性的里程碑——JWST 仪器的早期校准问题曾引发了天文学家的担忧，认为这些发现可能错误地计算了这些星系的真实距离，使它们成为更现代的冒名顶替者，只是看起来像是早期宇宙集团的一部分。但在经过彻底的同行评审后，“我们可以非常有信心地说，校准对于这些星系来说不是问题，”卡斯特拉诺说。“它们是非常可靠的候选者。我们终于解决了校准问题。” 然而，还需要进行后续观测，以绝对确认它们破纪录的距离。
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与此同时，天文学家们已经发现了其他几个早期星系候选者，其中一些似乎可以追溯到大爆炸后 2 亿年。在 JWST 发射之前，没有人知道星系是否能在宇宙 138 亿年历史的早期形成，当时人们认为物质仍在平静地聚结成引力束缚的团块，这些团块是孕育大型恒星群所必需的。“所以我们想知道，‘我们真的了解这些星系形成的早期阶段吗？’” 加州大学圣克鲁兹分校的天文学家加思·伊林沃斯在美国宇航局举行的新闻发布会上说，该发布会宣布了前两个候选者的同行评审验证。“这对理论家们提出了很多问题。”
其中最主要的问题是，暗物质究竟是如何引导星系出现的。在大爆炸后的最初几十万年里，宇宙太热了，引力无法将正常物质聚集在一起形成大型原星系团。然而，这对于暗物质来说“不是问题”，苏格兰爱丁堡大学的宇宙学家豪尔赫·佩尼亚鲁比亚说，“因为暗物质不通过电磁力相互作用。” 相反，只有引力才是这种隐形物质的主宰——这意味着在大爆炸后不久的瞬间，当原始混沌统治一切时，引力立即开始将暗物质聚集在一起，形成被称为晕的大型团块。人们认为这些暗物质晕充当了正常物质的引力阱，为早期宇宙中星系的后续形成播下了种子。它们所引导的恒星的明显运动暴露了它们至今的持久性。这样的晕仍然像我们自己的星系一样环绕着星系，是现代宇宙雄伟而不可见的雕塑家。
JWST 迅速发现早期星系可能正在检验我们对这些晕是如何形成的理解，或许表明它们比预期更早地达到了巨大的体积。一种解释可能涉及暗物质本身的性质。理论家们发现，对暗物质的简单处理，即它仅通过引力与自身和正常物质相互作用，可以准确地复制大规模的宇宙结构。但自然界无法保证简单性。在现实中，暗物质可能会因为一种尚未知的力而与自身相互作用，可能通过一个不在当前物理学标准模型中的粒子——这可能会提高这些晕生长的速度，并解释大型、明亮的星系是如何如此迅速地出现的。
然而，也许相反，这些晕在吸引正常物质以促进恒星形成方面效率更高。“我认为这可能在告诉我们一些关于早期暗物质晕中恒星如何形成的信息，”佩尼亚鲁比亚说。今天，我们的星系每年大约产生一颗新恒星，但卡斯特拉诺的论文表明，在他的和奈杜的两个候选星系中，恒星形成率必须至少高出 20 倍。另一篇 JWST 衍生的预印本论文假设，银河系大小的星系可能在大爆炸后仅5 亿年后出现——这种情况将需要比卡斯特拉诺的估计值还要高 10 倍的恒星形成率。但德克萨斯大学奥斯汀分校的宇宙学家迈克尔·博伊兰-科尔钦认为，如此惊人的恒星形成率突破了物理上可能的界限。“如果这些值是正确的，你需要让 [星系] 将它们所有的质量都转化为恒星，并尽可能快地形成恒星，”他说。
一种可能更合理的可能性是，恒星在早期宇宙中积累质量的效率更高。这将导致更大、更亮的恒星，从而提高早期星系对 JWST 的可见性。“也许你只是创造了大量非常非常巨大的恒星，”英国苏塞克斯大学的天文学家斯蒂芬·威尔金斯说。这些可能是所谓的第三星族星，即宇宙中假设的第一批恒星。尽管天文学家尚未最终观测到此类恒星，但有大量的间接证据表明它们的存在。第三星族星从弥漫在早期宇宙中的原始氢气和氦气中出现，将缺乏较重的元素，使其能够达到巨大的尺寸——比我们的太阳大数百倍。但就像最亮、最短暂的蜡烛一样，这些恒星的巨大体积将它们的寿命限制在不超过数百万年，使得今天探测它们变得困难。
然而，JWST 已经发现的一些更遥远的星系——以及那些可能仍在等待发现的更古老的星系——可能包含第三星族星的证据。这些星系的亮度可能归因于此类恒星，它们将比随后的第二星族星和第一星族星（例如我们的太阳）更热更亮，后两者都充满了我们现代的宇宙。“这绝对有可能，”英国朴茨茅斯大学的宇宙学家丹尼尔·惠伦说。为了确定，JWST 需要对这些更遥远的星系候选者进行光谱学后续观测——这是一个耗时的过程，即从星系发出的光中收集彩虹般的光谱，以确定其组成恒星中存在的化学元素。惠伦说，第三星族星的一个明显特征可能是氦的特定光谱特征，这种特征只能在温度高于约 100,000 摄氏度的恒星内部产生。“这将是巨大第三星族星的证据，”他说。
此类后续观测已准备好立即开始。罗切斯特理工学院的杰伊汉·卡塔尔泰佩是一个团队的成员，该团队已经获得了 JWST 的时间批准，以跟进宇宙演化早期释放科学（CEERS）调查中发现的少量早期星系候选者，卡塔尔泰佩是该调查的主要研究人员。这些候选者的特点是高红移——宇宙在宇宙时间中膨胀导致其光波长拉伸。这使得卡塔尔泰佩的光谱学后续观测不仅成为探测星系恒星种群的重要手段，也成为其宇宙历史的又一个“现实检验”。希望这些测量结果将使天文学家能够“了解恒星形成率和恒星的年龄”，卡塔尔泰佩说。该计划预计最早将于 12 月下旬开始，将使用 8 小时的 JWST 时间来获取三个目标星系的光谱。未来预计会有更多此类计划。
其他更耐人寻味的观点也层出不穷。如果 JWST 发现大规模星系形成的明显早期爆发在随后的宇宙时代突然消退，这可能表明当时的宇宙膨胀速度比预期的更快——罗马天文台的天文学家尼古拉·门奇说，可能比当前共识估计的速度快两倍。这可能与一种特殊的（并且迄今为止完全是假设的）暗能量有关，暗能量是一种神秘的力量，似乎驱动着宇宙的加速膨胀。所谓的幻影暗能量模型允许其效力在宇宙时间中波动。如果这些模型有效，它们表明暗能量对宇宙膨胀的影响可能远大于今天大爆炸后不久的影响。JWST 的初步结果“似乎与我们迄今为止考虑的大多数逻辑模型相矛盾，”门奇说，即 Lambda 冷暗物质（Lambda-CDM），该理论模型纳入了宇宙学家目前对暗物质和暗能量的特性及其对宇宙演化的最终影响的最佳估计。
虽然这些想法看似牵强附会，但在天文学家继续努力解决早期宇宙中星系候选者的普遍存在问题时，还不能完全排除。一些星系最终可能会被证明是海市蜃楼，是更近的星系伪装成更遥远的星系，因为它们含有大量尘埃，这也会导致它们的光发生红移。然而，最初使用智利阿塔卡玛大型毫米/亚毫米波阵列（ALMA）对卡斯特拉诺和奈杜星系之一进行的后续观测表明，几乎没有证据表明存在如此高的尘埃含量。“尽管 ALMA 的结果很有趣，但 JWST 是唯一可以对这些星系给出明确答案的仪器，”卡斯特拉诺说。
可能会在 JWST 科学运行的第一年（周期 1，持续到 2023 年 6 月）对这些星系进行更多后续观测。在科学运行的第二年（周期 2）可能会出现更有趣的结果，天文学家现在可以在 1 月 27 日的截止日期前提交计划。“使用 JWST 进行光谱学后续观测至关重要，并且很可能在周期 2 中对遥远星系的请求中占据主导地位，”伊林沃斯说。“我们遇到了一个问题，而且是真实存在的问题：这些明亮的东西到底是从哪里来的？它们不在故事书中。我们真的必须了解这里发生了什么。”
编者注（22 年 12 月 8 日）：本文在发布后经过编辑，删除了消息来源撤回的引语。