最近，一个国际天文学家团队穿越回我们宇宙仅有 18 亿年历史的时候。他们当然不是直接前往，而是退而求其次：在位于亚利桑那州东南部的格雷厄姆山顶的大型双筒望远镜天文台，收集来自遥远宇宙中一小块区域的 17 小时的星光。这种时间倒流的虚拟旅行在天文学中是司空见惯的——光速是有限的，这确保了你看到太空越深处，你凝视的时间就越久远。全球各地的许多天文台都可以收集来自古老天空的微弱光子。但这次特殊的宇宙之旅关系到一些特别的事情——甚至是令人不安的事情：一个异常巨大的椭圆星系，被称为 C1-23152。这个鸡蛋形状的恒星聚集体非常庞大，以至于它挑战了关于其起源的传统模型。简而言之，C1-23152 似乎太大，不适合早期宇宙。
人们认为，最早的星系相对微小，是由较小的组成部分一点一点地聚集在一起形成的，并且只有在数十亿年的增长后才达到庞大的尺寸。C1-23152 拥有估计 2000 亿个太阳质量的恒星，它倾覆并推翻了这种情景的天平。而且它并不孤单。在过去的十年中，天文学家已经发现了几个非常古老、非常巨大的星系巨兽。例如，在 2017 年，发现一对极其巨大的星系——其中一个能够每年产生 2,900 个太阳质量的恒星——存在于大爆炸后不到 8 亿年的时间内。2019 年，发现39 个巨大的星系家族——每个星系都是一个恒星工厂，每年可能制造 200 个太阳质量的恒星——在宇宙诞生后 20 亿年内穿梭于宇宙中。
这些古老而庞大的天体数量不断增加，是否会威胁到传统的星系形成模型？“这里的诀窍是：你有多少？”德国海德堡马克斯·普朗克天文研究所的天文学家 马塞尔·尼勒曼 说，他没有参与这项新研究。少数几个无关紧要；宇宙足够大，偶尔会出现奇怪的事情。但是，如果未来更先进的望远镜设法发现更多这样的星系，那么这些来自宇宙童年时期的巨大星系可能会打破我们对宇宙的理解。
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很久以前，在一个遥远的星系
目前广为接受的星系形成模型，很大程度上是从宇宙演化的模拟中收集到的，这些模拟再现了我们对本星系群附近宇宙的观测结果——我们可以在银河系附近看到的东西。
尼勒曼说，大爆炸之后，宇宙以相当均匀的方式向各个方向膨胀和延伸。但是，你会得到“宇宙结构中微小的密度变化”。这些变化是 暗物质团块的所在地，暗物质是一种几乎不发射电磁辐射的物质。因此，暗物质尚未被直接探测到，但对星系的观测表明，这种看不见的质量会产生自身的引力。这意味着这些暗物质团块吸引“普通”物质（我们可以探测到并与之相互作用的物质），其中大部分是气体。气体涌入这些引力井并挤压在一起，从而触发恒星形成。更多的物质继续涌入这些不断扩张的井——天文学家称之为暗物质“晕”——在宇宙 138 亿年的生命周期中逐渐形成越来越大的结构。意大利国家天体物理研究所的天文学家、最近关于 C1-23152 观测报告的研究报告的主要作者 保罗·萨拉科 说，这个过程应该或多或少地创造出我们今天看到的星系分布。
这就是为什么古老的巨型星系存在问题。“对于我们目前对星系形成的理解，我们有点建立在我们当时已知的星系之上，”加州州立理工大学波莫纳分校的天文学家 科拉尔·惠勒 说，她没有参与这项新研究。这些星系不包括非常古老、小或大的星系。随着越来越强大的望远镜进一步回溯时间，开始揭示这些明显的异常值。随着异常实体的数量增加，天文学家开始怀疑他们的模型是否需要扩展以容纳它们，或者这些模型是否会在压力下弯曲和破裂。
正如 2020 年 12 月在《天体物理学杂志》中报道的那样，萨拉科的团队设法从 C1-23152 中提取了一些有价值的细节。来自遥远宇宙区域的光在传播到地球时，会被膨胀的宇宙拉伸。拉伸得越多，它向电磁频谱中波长更长的“更红”部分移动得越多。C1-23152 星光的这种“红移”表明它出现在 120 亿年前，早在宇宙的青年时期。仅凭这个星系既古老又巨大这一事实，对于传统的缓慢而稳步的星系形成模型来说就足够成问题了。但它不仅仅是完全形成的。萨拉科和他的团队的真正突破是追溯了 C1-23152 从宇宙各处形成的恒星形成历史。
这项突破的关键在于看到巨型星系的光谱——对物体发射或吸收的各种波长或颜色的彩虹状测量。特定的颜色组合区分了特定的元素，这意味着这种光谱交响曲可以用来确定星系中恒星的组成。萨拉科说，利用这种力量，“我们首次非常准确地推导出了 [C1-23152] 内部恒星群的平均年龄以及形成这些恒星所需的时间。”
在 C1-23152 中发现的重于氢和氦的元素数量——天文学家统称为“金属”——暗示了它的奇异性。金属是由恒星形成产生的，恒星形成通过超新星将它们喷射到星系的星际介质中——使它们可供下一代恒星使用。金属越多，恒星形成的周期就越多，而当今的巨型星系需要数十亿年的时间才能变得富含金属。C1-23152 的光谱显示，该星系在其早期是一个名副其实的金属宝库，这意味着它在首次形成后不久就<0xC2><0xA0>非常<0xC2><0xA0>迅速地制造了<0xC2><0xA0>大量<0xC2><0xA0>的恒星。
有多迅速？恒星的光谱特征也可以回答这个问题，因为它们揭示了哪些恒星具有年轻或年老恒星的典型元素。C1-23152 中最年轻的恒星大约有 1.5 亿年历史。最古老的恒星大约有 6 亿年历史。这意味着该星系在短短 5 亿年内制造了约 2000 亿个太阳质量——每年 450 颗恒星的速度，每天超过一颗。这个数字几乎是银河系当前产量的 300 倍。如果说大多数星系都是缓慢燃烧的篝火，新的火焰不时冒出来，那么 C1-23152 就是一堆汽油浸透的篝火。
C1-23152 及其类似的表亲给天文学家带来了一个可能打破模型的难题：巨型星系如何在早期如此迅速地组装和点燃？就目前而言，简而言之，答案是它们不能。
在盒子里培育宇宙
一段时间以来，模拟一直在努力培育这些巨大的星系。但这并不意味着它们根本做不到。相反，问题可能在于它们的编程方式。
加州大学河滨分校的天文学家、这项新研究的合著者 本·福雷斯特 说：“当你运行模拟时，你想要模拟多大的体积和你能够模拟多少细节之间存在权衡，因为你拥有或不拥有计算机能力。”如果这些古老的巨型星系很少见，也许我们没有使用足够大的盒子来让其中一个有机会出现。“也许有些模拟并没有真正覆盖足够的体积，”他说。
快速调整它们以从宇宙时间的早期时代产生巨型星系也不容易。“重新运行它们需要很长时间。如果你想改变某些东西，你必须非常确定那是正确的，并且那是你想做的，”福雷斯特说。
他补充说，一些最新迭代的模拟，凭借更好的数据和计算能力，确实预测了这些巨型星系在早期少量存在。但与现实观测到的情况不同，它们往往仍在制造恒星。包括 C1-23152 在内的古老星系，在生产高峰期之后突然停止了恒星形成——要么是因为它们耗尽了氢和氦燃料，要么是因为从新生的恒星群和其他过度热心的天体物理源射出的辐射烹饪了气体并将其炸出可及范围。显然，我们的虚拟食谱中仍然缺少一些成分，因此我们还不能依赖它们来解释。
科学家们在其他地方找到了线索，这些线索可能解释了这些古老的巨型星系。剑桥大学的宇宙学家 阿纳斯塔西娅·菲亚尔科夫 没有参与最新的工作，她说，与全面的模拟不同，分析物理计算可以“考虑到宇宙的整体体积”。他们认为，在大爆炸后仅 4000 万年，就出现了一小部分能够启动恒星形成的暗物质晕。
这个时间明显早于宇宙青年时期晚些时候出现的大多数暗物质晕——这些暗物质晕被认为负责播种我们今天看到的大部分星系。相反，在大爆炸后 4000 万年出现的暗物质晕有能力播种古老巨型星系的开端，这些星系最终可以通过我们的望远镜探测到。惠勒指出，早期宇宙也更稠密。这将使得在这些原始暗物质晕周围，最终在星系周围，相当轻松地收集恒星制造所需的氢和氦。
尼勒曼说，另一种选择是可能发生了一系列事情的组合。宇宙中罕见的超稠密区域将允许非常早期的多星系合并，而将气体输送到星系中心的流可以为恒星形成提供超动力。
无论如何，如果暗物质是冷的，那么巨型古老星系的出现就更容易解释。在这里，“冷”意味着暗物质移动得相对缓慢。“热”暗物质的移动速度将接近光速。一般来说，暗物质越冷，它就越容易凝结成星系播种晕。这个假设不一定正确，但“冷暗物质是可行的最简单的暗物质情景，”菲亚尔科夫说。
目前尚不清楚这些事件中的哪种混合（如果有的话）最能解释 C1-23152 的起源和演化，更不用说它的巨型表亲了。萨拉科说：“我们看到的不是宇宙的特殊角落。”但重要的是，他说，这里没有任何东西威胁要推翻传统的缓慢而稳步的星系形成模型。这些古老、巨大的星系只是代表了星系可以采取的另一条途径。
回到未来
传统模型暂时得以幸存，但部分原因仅仅是因为发现的这些巨型星系很少。“我们正在处理小数字统计，”福雷斯特说。然而，科学家们并没有很好地掌握巨兽的真实数量。在情况发生改变之前，了解它们对我们的宇宙理解产生的影响以及星系如何以不同的方式演化仍然是模糊不清的。
也许我们已经看到了比我们意识到的更多的这些古老巨型星系。对于详细研究，我们的望远镜通常会被最亮的巨大但已燃尽的星系所吸引，然后才会揭示它们的性质。然而，英格兰巴斯大学的天文学家 斯泰因·维茨 说，天文学家已经发现了早期宇宙中悬挂着的具有其他类似特征的较暗物体，他没有参与最近的工作。它们可能仅仅是质量较小的星系，或者是在恒星形成旺盛期之后很久才观测到的更古老的巨型星系。这些物体是离我们较近的昏暗蜡烛，还是远在天边的巨大篝火？
与以往一样，需要更多的数据——。几架即将到来的望远镜将帮助我们进行这次穿越时空的星系普查。
首先，需要发现遥远过去的疑似明亮斑点。“如果你想要获得大量候选者，那么宽视场非常棒，”福雷斯特说。南希·格雷斯·罗曼太空望远镜，以前被称为 WFIRST，目前目标是在 2025 年发射，它的视场相当于 100 个哈勃太空望远镜：它宽阔而灵敏的眼睛将看到许多可能的古老巨型星系。
然后，需要通过查看它们的不同光谱来法医检查这些候选者，以确定它们的特性并确认它们确实是这样的星系，而不是冒名顶替者。“理想情况下，你想要一个真正大的望远镜，”福雷斯特说。“这给你提供了更多的收集面积——对于来自物体的光子来说，它是一个更大的桶。”如果夏威夷的 三十米望远镜 建成，它可能是合适的，而 极大望远镜 也可能符合要求。詹姆斯·韦伯太空望远镜——在经历了多次延误后，终于计划于今年 10 月发射——也应该能够很好地工作。“它没有那么大，”福雷斯特说。“光子的桶稍微小一点，但你不需要穿过大气层进行观测，”因此需要处理的干扰更少。
萨拉科对这些即将到来的下一代放大镜特别兴奋，因为它们不仅仅会发现极其遥远的物体。“我们将能够观察内部 [一个] 星系，在单个恒星形成区域，”他说。换句话说，天文学家将获得更精细的视图，而不是星系整体特征的模糊图像——粗略草图和详细绘画之间的区别——从而开启我们理解星系如何形成的新篇章。
在这种帮助到来之前，这个科学领域将仍然处于起步阶段。“星系形成中存在太多的不确定性，”惠勒说。
在黑暗中追逐怪物可能令人不安。它们威胁着时代的教条，迫使我们扩展早期的模型以适应它们。如果这些模型拉伸到即将破裂的程度，那也没关系。“我们希望在某种程度上挑战模型，”惠勒说。“当事物不匹配时，那时才变得有趣。”