JWST 首次观测到的早期星系可能会颠覆宇宙学

罗翰·奈杜和他的女朋友在家时，他发现了几乎颠覆了宇宙学的星系。2022 年 7 月的一个深夜，当他的算法在詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 的早期图像中挖掘时，奈杜立刻引起了注意。它筛选出一个物体，奈杜意识到这个物体巨大无比，可以追溯到大爆炸后仅 3 亿年，比以往见过的任何星系都古老。“我立刻叫我的女朋友过来，”奈杜说。“我告诉她，‘这可能是有史以来我们见过的最遥远的星光。’”在与他的一位合作者交换了激动的信息（“有很多感叹号”）之后，奈杜开始工作。几天后，他们发表了一篇关于候选星系的论文，他们将其命名为“GLASS-z13”。互联网瞬间炸开了锅。“它在世界各地引起了反响，”奈杜说。

在 JWST 全面运行的仅仅几周内就发现了这个星系，这超出了天文学家最疯狂的梦想。JWST 是有史以来从地球发射的规模最大、功能最强大的天文台，旨在彻底改变我们对宇宙的理解。它位于距离地球干扰 150 万公里的地方，并由网球场大小的遮阳板冷却至接近绝对零度，该望远镜巨大的分段镜和极其灵敏的仪器旨在揭示前所未有的宇宙黎明的细节。

这是一个几乎未被探索的时代——不早于大爆炸本身后几亿年——最早的恒星和星系在这个时代聚结。这个过程究竟是如何展开的，取决于奇异的物理学，从暗物质和暗能量的不确定影响到恒星光、气体和尘埃之间知之甚少的反馈。通过使用 JWST 瞥见来自宇宙黎明的星系，宇宙学家可以测试他们对所有这些潜在现象的了解——要么证实他们最佳共识模型的有效性，要么揭示理解上的差距，这可能预示着深刻的新发现。

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此类观测本应需要时间；最初的预测估计，最早的星系将非常小而微弱，以至于 JWST 最多只能在其初步调查中发现几个有趣的遥远候选者。事情并没有完全按计划进行。相反，当望远镜的科学家发布其首批遥远宇宙图像时，像奈杜（在麻省理工学院）这样的天文学家开始在其中发现许多星系，这些星系在表面年龄、大小和亮度上都超过了所有预测。发现的竞争非常激烈：似乎每天都有来自一个或另一个研究小组的又一项打破纪录的“已知最早星系”的声明出现。“每个人都吓坏了，”哥本哈根大学的天体物理学家夏洛特·梅森说。“我们真的没有预料到会这样。”

在 JWST 发现令人惊讶的成熟“早期”星系之后的几周和几个月里，理论家和观测者一直在争先恐后地解释它们。大量异常大而明亮的早期星系可能是虚幻的吗，也许是因为对望远镜初始观测结果的分析存在缺陷？如果是真实的，它们能否以某种方式用标准宇宙学模型来解释？或者，也许，它们是否是宇宙比我们最大胆的理论所假设的还要奇怪和复杂的第一个暗示？

事关重大的是我们对已知有序宇宙如何从原始混沌中诞生的理解。JWST 的早期启示可能会改写宇宙历史的开篇章节，这不仅关系到遥远的时代和遥远的星系，也关系到我们自己在熟悉的银河系中的存在。“你建造这些机器不是为了证实范式，而是为了打破它，”JWST 科学家马克·麦考格林说，他是欧洲航天局科学与探索高级顾问。“你只是不知道它会如何打破。”

宇宙黎明的深度观察

可以说 JWST 对早期星系的观测已经酝酿了数十亿年，但更谦虚地说，它们可以追溯到 1985 年的太空望远镜科学研究所 (STScI)。当时，哈勃太空望远镜距离乘坐航天飞机发射还有五年时间。但时任 STScI 副主任的加斯·伊林沃斯有一天感到惊讶，当时他的老板，也就是 2018 年去世的时任主任里卡多·贾科尼，要求他开始考虑哈勃之后的更遥远的未来。“我抗议说，我们在哈勃上已经有足够多的事情要做了，”伊林沃斯回忆道。但贾科尼坚持说：“相信我，这需要很长时间，”他说。因此，伊林沃斯和其他少数人开始工作，起草了后来被称为下一代太空望远镜 (NGST) 的概念想法，后来更名为 JWST，以纪念一位前 NASA 局长。

哈勃望远镜将是变革性的，但天文学家知道其能力将受到其在可见光中观测的限制。当来自非常遥远的星系的光线穿越宇宙深渊时，它会被宇宙的膨胀拉伸——波长的展宽称为红移。红移值越高，光线经历的拉伸就越多，因此其源星系就越遥远。早期星系的红移非常高，以至于它们发出的可见光在到达我们的望远镜时已经拉伸到红外线，这就是哈勃望远镜看不到它们的原因。相比之下，NGST 将在红外线下进行观测，并将拥有一个非常大（且非常冷）的聚光镜，使其能够更深入地观察宇宙。“每个人都意识到韦伯将是观测早期星系的望远镜，”伊林沃斯说。“这成为主要的科学目标。”

1995 年 12 月，当宇航员将哈勃望远镜对准一片看似空旷的天空连续 10 天时，对望远镜的需求得到了凸显。许多专家预测，延长观测将是对资源的浪费，最多只能揭示少数暗淡的星系，但事实证明，这项努力得到了丰厚的回报。由此产生的图像，哈勃深场，显示这个“空旷”的地点充满了数千个星系，可以追溯到我们宇宙 138 亿年历史中的 120 亿年。“到处都是星系，”伊林沃斯说，他现在是加州大学圣克鲁兹分校的天体物理学家。哈勃深场表明，早期宇宙比大多数人预期的还要拥挤和令人兴奋，为那些花时间和精力认真观察的人提供了观测宝藏。然而，尽管哈勃深场令人印象深刻，但天文学家想要更多。

经过二十多年的努力，耗资约 100 亿美元，JWST 终于在 2021 年圣诞节发射升空。该望远镜在一个月后到达其深空目的地，在那里它将进行详尽的测试，以确保其最佳性能。到 2022 年 7 月，它已准备好开始期待已久的第一个科学观测年，称为周期 1。望远镜早期时间的一部分用于各个学科的高影响力项目，这些项目的数据将立即公开。其中两个项目 CEERS（宇宙演化早期发布科学调查）和 GLASS（来自太空的棱镜透镜放大调查）各自花费了数十小时通过凝视天空中的不同小部分来寻找早期宇宙中的星系。人们并没有期望太多——也许是稍微更华丽的哈勃深场版本，但仅此而已。德克萨斯大学奥斯汀分校的 CEERS 负责人史蒂文·芬克尔斯坦说，极其遥远的星系预计只会在多个项目的“几个数据周期后”才会出现。

然而，令天文学家惊讶的是，极其遥远的星系立即进入视野。哈勃望远镜最遥远已知星系的记录是 GN-z11，它于 2015 年被发现，红移为 11，这要归功于 2009 年的升级，该升级增强了望远镜有限的红外功能。红移 11 对应于约 4 亿年的宇宙年龄，这是星系形成被认为开始的临界点。但是从最早的 GLASS 数据来看，两个团队——一个由奈杜领导，在那个令人窒息的深夜发现中——独立发现了红移为 13 的 GLASS-z13，时间倒退了大约 7000 万年。

为了快速获得结果，研究人员依靠从简单的基于亮度的测量得出的红移估计。这些方法更容易获得，但不如直接红移测量精确，后者需要更多专门的观测时间。然而，简化的技术可能是准确的，并且这里表明一个星系异常明亮和巨大，已经拥有相当于十亿个太阳的恒星质量，仅比银河系的恒星数量少几百倍，尽管我们自己的星系成熟了数十亿年。“这超出了我们最乐观的预期，”加州大学洛杉矶分校的天文学家、GLASS 的负责人托马索·特鲁说。

这项记录并没有持续多久。在接下来的几天里，来自 CEERS 和 GLASS 的数十个星系候选者涌现出来，估计红移高达 20——仅在大爆炸后 1.8 亿年——有些星系具有盘状结构，而这些结构预计不会在宇宙历史的早期就显现出来。与此同时，另一个团队发现了银河系大小的星系的证据，红移为 10，距离大爆炸不到 5 亿年。

如此庞然大物如此迅速地出现，与宇宙学家标准宇宙演化模型设定的预期背道而驰。这个模型被称为 Lambda CDM (LCDM)，它包含了科学家对暗能量和暗物质特性的最佳估计，它们共同作用主导着大规模宇宙结构的出现。（“Lambda”指的是暗能量，而“CDM”指的是相对迟缓或“冷”的暗物质。）“即使你拿出所有可用于形成恒星的东西并瞬间打响指，你仍然无法那么早变得那么大，”德克萨斯大学奥斯汀分校的宇宙学家迈克尔·博伊兰-科尔钦说。“这将是一场真正的革命。”

如何构建星系

为了理解这个困境，需要简要回顾一下。在大爆炸后的第一秒，我们的宇宙是几乎难以想象的热和稠密的原始粒子汤。在接下来的三分钟里，随着宇宙膨胀和冷却，氦和其他非常轻元素的原子核开始形成。快进 40 万年，宇宙已经足够冷，可以出现第一批原子。理论家说，当宇宙大约 1 亿岁时，条件终于适合第一批恒星的出现。这些主要由氢和氦组成的巨大火球没有受到现代恒星中发现的较重元素的污染，因此它们具有显着不同的特性。这些第一代太阳比今天的恒星更大更亮，它们在原星系中聚结——依附于广阔、看不见的暗物质支架的气体团。引力引导了这些原星系之间的后续相互作用，最终合并形成更大的星系。人们认为，早期宇宙的混沌让位于我们今天所知的更有序的宇宙的这个形成过程大约花费了十亿年的时间。

JWST 发现早期宇宙中明亮的星系，对这个模型提出了挑战。“我们应该看到许多尚未合并形成大星系的小型原星系碎片，”凯斯西储大学的宇宙学家斯泰西·麦高说。“相反，我们看到一些已经是大星系的东西。”其中一些星系可能是冒名顶替者，是尘埃笼罩的距离更近的星系，当使用基于亮度的测量时，尘埃会使它们看起来更暗更遥远。然而，2022 年 8 月，智利阿塔卡玛大型毫米波阵列 (ALMA) 对 GLASS-z13 进行了后续观测，表明情况并非如此，因为 ALMA 没有看到大量尘埃的证据。“我认为我们可以排除低红移闯入者，”日本名古屋大学的天文学家 Tom Bakx 说，他领导了这项观测。然而，缺乏尘埃意味着 ALMA 很难看到这个星系，这表明望远镜要确认使用 JWST 先进功能进行的观测有多么困难。“好消息是没有探测到任何东西，”奈杜说。“坏消息是没有探测到任何东西。”在这种情况下，只有 JWST 可以自行跟进。

最令人震惊的解释是，规范的 LCDM 宇宙学模型是错误的，需要修订。“这些结果非常令人惊讶，并且在我们的标准宇宙学模型中很难获得，”博伊兰-科尔钦说。“而且这可能不是一个小小的改变。我们必须回到绘图板。”一个有争议的想法是修正牛顿动力学 (MOND)，它假设暗物质不存在，其影响可以通过引力的大尺度波动来解释。迄今为止，JWST 的观测结果可能支持这种理论。“MOND 的许多预测都成真了——这是其中的另一个，”麦高说，他是这个想法的主要支持者之一。其他人仍然不相信。“到目前为止，我们尝试测试 MOND 的一切都未能真正提供令人满意的答案，”罗切斯特理工学院的天体物理学家杰汉·卡塔尔特佩说。

一个更简单的解决方案是，早期宇宙中的星系可能几乎没有或根本没有尘埃，这使得它们看起来更明亮。这种情况可能会混淆计算星系真实质量的努力，并且也可能解释 ALMA 难以发现 GLASS-z13 的原因。“可能是超新星没有足够的时间产生尘埃，或者可能在 [星系形成] 的初始阶段，尘埃从星系中排出，”意大利比萨高等师范学院的天文学家安德烈亚·费拉拉说，他提出了这种可能性。或者，梅森和她的同事建议，在 JWST 对早期宇宙的观测中，到目前为止可能只看到了最亮的年轻星系，因为它们应该是最容易被发现的。“可能早期宇宙中发生了一些事情，这意味着一些星系更容易形成恒星，”她说。

纽约市西蒙斯基金会理论天体物理学家兼现任主席大卫·斯珀格尔对此表示赞同。“我认为我们看到的是，高質量恒星形成在早期宇宙中非常有效，”他说。“气体压力更高。温度更高。这对恒星形成的環境产生了巨大的影响。”磁场可能比我们想象的更早出现在宇宙中，推动物质启动恒星的诞生。“我们可能看到了磁场在宇宙历史早期出现的迹象，”斯珀格尔说。

打破宇宙的竞赛

来自 JWST 初始观测结果的科学论文的快速涌入并非偶然；当第一批数据到达时，天文学家们正热切地等待着。“人们已经为他们的管道工作了多年，”博伊兰-科尔钦说。天文学家没有采用传统的同行评审流程（可能需要数月时间），而是在 arXiv 上发表文章，arXiv 是一个科学论文可以在经过版主最少的审查后但在正式同行评审之前上传的网站。这种新的审查形式几乎实时地在 X（以前称为 Twitter）和其他社交媒体平台上展开。“这是 arXiv 科学，”奈杜说。由此产生的狂热是强烈且令人惊讶的。“我预计会有很多活动，”STScI 临时主任南希·列文森说。“但我低估了数量。”

结果是科学成果可以迅速公开和讨论，但有些人担心会付出代价。“人们有点仓促行事，”STScI 的 JWST 项目科学家克劳斯·庞托皮丹说。“黄金标准是经过审阅的、同行评审的论文。”例如，JWST 的早期校准问题可能影响了一些结果。英国曼彻斯特大学的内森·亚当斯和他的同事发现，可能会发生剧烈的变化，一个红移为 20.4 的星系被重新校准为红移仅为 0.7。“我们需要冷静一下，”亚当斯说。“现在说我们已经完全打破了宇宙还为时过早。”

然而，考虑到 JWST 高红移星系的数量之多，这些问题不太可能消除所有这些星系。“早期宇宙很可能与我们预测的不同，”芬克尔斯坦说。“我们都错了的可能性很小。”天文学家现在正在竞相利用 JWST 进行后续观测。列文森说，她目前正在审查来自各个小组的大约十几个提案，这些提案要求额外的 JWST 观测时间，其中大多数提案都希望仔细检查高红移星系候选者。“考虑到这些早期发现的兴奋和重要性，我们认为要求一点时间来确认它们是合适的，”特鲁说，他提出了其中一项提案。

更多项目旨在寻找遥远的星系，例如由卡塔尔特佩共同领导的 COSMOS-Webb，其目标是通过在更广阔的天空范围内观测数百小时，大幅增加已知早期星系的数量。“我们估计我们将能够探测到数千个，”她说。未来的提案可能会寻找那些第一代原星系的证据，或许可以使用超大质量的第一代恒星在特别明亮和高能的超新星中的爆炸死亡作为其存在的标志。一些估计表明，JWST 可以看到高达红移 26 的距离，仅在大爆炸后 1.2 亿年，这在宇宙中只是眨眼之间。许多其他工作将用于跟进不断增长的高红移候选者名单。“即使确认其中少数几个也非常了不起，”奈杜说。“这将证明我们没有被愚弄。”

JWST 迎来了一个新的科学时代，尽管存在不确定性，但新发现的快速传播激发了天文学家的活力。“这太棒了，”特鲁说。“看到社区如此投入和兴奋真是太好了。”现在的问题是，如果我们真的可以相信我们所看到的，那么现在是否应该重新评估我们对时间黎明的理解？“我们正在窥探未知，”梅森说。