在一场宇宙学的“是还是不是？”的对决中，前者占据了绝对优势——至少十比一。问题至关重要：詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 在早期宇宙中看到的星系真的像我们认为的那样遥远吗？到目前为止，答案是响亮的肯定。“这些星系中的绝大多数都得到了证实，”德克萨斯大学奥斯汀分校的天文学家史蒂文·芬克尔斯坦说。“这意味着我们去年夏天看到的一切，也许宇宙在早期非常擅长形成恒星，都将站得住脚。”
2022 年夏季，JWST 引发了大量发现。在 2021 年 12 月发射以及半年多的调试之后，JWST 于 2022 年 7 月完全启动。几乎紧随其后，其前所未有的红外灵敏度揭示了来自遥远宇宙的星系微弱的光芒，这些星系显然是在大爆炸后仅数亿年形成的。天文学家曾预计此类里程碑式的成果会更逐渐地出现。“数据呈爆炸式增长，”芬克尔斯坦说。
早期的结果如此迅速地出现，是因为研究人员使用了一个聪明的捷径来估计星系距离。天文学家通常通过精确测量红移来确定宇宙坐标，红移是由于宇宙膨胀导致星系的光向电磁频谱的红色端延伸。但这需要组装和分析星系光谱的行为——这是一个耗时且微妙的过程，称为光谱学。JWST 的发现洪流反而由更粗略、更快速的基于光度学的技术驱动，这些技术本质上是利用星系亮度的明显变化来估计它们的红移。
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因此，虽然光度学结果在去年夏天来得又快又多，但光谱学结果才刚刚开始涓涓细流般地涌现出来。然而，仅凭来自大约十几个候选者的基于光谱的距离，研究人员发现，大多数测量结果与早期的光度学结果相符。最新的研究结果发表在《自然·天文学》上周的杂志上，证实了 JWST 高级深外星系调查 (JADES) 确定的另外四个星系的早期距离估计。“我们为此等待了几十年，”赫特福德郡大学的艾玛·柯蒂斯-莱克说，她领导了光谱学结果研究。“能够在望远镜投入使用的头几个月内做到这一点真是令人难以置信。”
在这四个星系中，最遥远的一个星系的名字有点笨拙，叫做 JADES-GS-z13-0。它的红移值为 13.2，这意味着我们看到的是该星系在大爆炸后仅 3.2 亿年时的样子。如此高的红移使 JADES-GS-z13-0 成为目前宇宙中已知的最遥远的星系——JWST 似乎注定会再次打破这一纪录，但这突显了天文学家如此兴奋的原因。我们现在确信我们正在探测一个人类从未见过的宇宙时代。“这太令人震惊了，”耶鲁大学的彼得·范·多库姆说。他生动地指出，从我们的角度来看，这个星系只比鲨鱼在地球上存在的时间稍微古老一些——大约 3 亿年。“你眨眼之间就从虚无变成了这些完全形成的星系，”范·多库姆说。
然而，并非所有高红移候选星系都如此幸运，这突显了天文学家早期的谨慎。7 月，另一项名为宇宙演化早期释放科学调查 (CEERS) 的调查（由芬克尔斯坦领导）发现了一个可能的星系，其红移值为 16.4，仅在大爆炸后 2.4 亿年。随后的光谱学表明，这一推断是错误的，正如国家科学基金会 NOIRLab 的天文学家巴勃罗·阿拉巴尔·哈罗领导的研究在 3 月下旬揭示的那样。这个星系实际上是一个尘埃蒙蔽的冒名顶替者，位于红移 4.9 处，仍然令人印象深刻，但绝不是破纪录的，在大爆炸后 12 亿年。人们认为高水平的恒星形成混淆了早期的光度学分析。“我们很容易被污染所愚弄，”苏格兰爱丁堡大学的卡勒姆·多南说，他是这项工作的合著者。“一个高红移星系可能会被一个具有不同特征的低红移星系所模仿。”
好消息是，这个特定的星系似乎是一个“独特的案例”，多南说。同一项研究能够证实，另外两个候选星系没有同样的问题。其中之一是梅西星系，它在红移 11.4 处被观测到，大约在大爆炸后 4 亿年，并以芬克尔斯坦的女儿的名字命名。“当我告诉她这是真的时，她非常兴奋，”芬克尔斯坦说。
既然这些星系得到了证实，它们的科学意义就可以得到更充分的探索。这些星系很小，比银河系小很多倍。但有些星系看起来非常明亮和巨大，并且具有与我们星系相似的高恒星形成率，我们星系大约每年形成一颗新恒星。虽然这些星系尚未对宇宙学的主流模型构成问题，但它们表明星系形成开始得更早，并且比宇宙中预期的更快地进行，理论家此前预测宇宙在大爆炸后十亿年的成熟年龄开始大量产生星系。
“我们看到大质量星系的崛起速度比我们之前认为的要快，”哈佛-史密森天体物理学中心的法比奥·帕库奇说。其中一些早期星系的年龄估计只有数千万年。这可能对塑造早期星系的大型暗物质结构（称为晕）以及暗物质粒子本身的性质产生影响。“最大的未解之谜之一是：暗物质是什么？”剑桥大学的桑德罗·塔切拉说。“第一代星系是不同暗物质模型的敏感探测器。”
仍然存在一些有问题的——并且可能打破模型的——早期宇宙候选星系。其中首当其冲的可能是澳大利亚斯威本科技大学的伊沃·拉贝及其同事鉴定出的一类星系。该团队发现了数十亿太阳质量的星系，其重量与银河系相当，来自估计在大爆炸后仅 7.5 亿年。这些星系比之前在这个时代看到的星系大 10 到 100 倍，并且被挤压到比银河系小 30 倍的结构中。“它们很小，但质量很大，”拉贝说，他表示 JWST 基本上在它在天空中深入观察的任何地方都在继续发现类似的星系。目前，这些星系仅通过光度学进行了研究，光谱学分析计划在 7 月进行。但到目前为止，其他 JWST 结果的光度学成功表明，拉贝及其同事的初步分析是正确的。“那里最极端的星系似乎仍然构成问题，”德克萨斯大学奥斯汀分校的迈克尔·博伊兰-科尔钦说，他没有参与本文讨论的 JWST 观测。“其中一些系统将不得不以比银河系快 1000 倍的速度形成恒星。问题是：这是一个不可能的高恒星形成量吗？”
该领域继续快速变化。一项名为 COSMOS-Webb 的正在进行的调查预计将提供更多高红移候选者。“我们在提案中的估计是[找到红移]高达 10 左右的星系，”罗切斯特理工学院的杰汉·卡塔特佩说，他是该项目的负责人。“但这些数字可能过于悲观了。”许多其他天文学家已向运行该天文台的马里兰州太空望远镜科学研究所提交了额外备用望远镜时间的请求。更多人提交了望远镜第二个预定科学观测年（称为周期 2）的提案，该周期于 7 月开始。
有些人担心这个领域发展得太快了。虽然 JWST 的许多数据（约占 80%）都有 12 个月的专有窗口期，在此期间，负责的研究人员可以独家访问他们自己的观测结果，但其余数据是开放获取的。这意味着当进行观测时，公众可以立即访问它们，并且任何人都可以使用它们。在阿拉巴尔·哈罗及其同事于 3 月下旬在预印本服务器 arXiv.org 上发表他们对红移 16.4 星系的分析之前，他们的开放获取工作已经被 Twitter 上的天文学家抢先发布。“我只想做一个非常简单的测试，”哥本哈根大学的加布里埃尔·布拉默说，他发布了一些早期结果。“该团队进行了更详细的分析。但如果你知道在哪里看，你可以立即看到它。”
并非所有人都对如此轻松的访问感到满意。“你有一些博士后花了多年的时间致力于此并使这些观测成为可能，”德克萨斯大学奥斯汀分校的丽贝卡·拉尔森说，她是阿拉巴尔·哈罗论文的合著者，也是 CEERS 团队的成员。“然后我们的数据出来了，它是公开的，人们正在与我们争夺结果。我们正在努力，也被要求为社区提供其他意见。然后其他人会进来发表论文。眼睁睁地看着这一切发生真是令人沮丧。”目前尚不清楚如何解决紧张局势。“如果有一些更具体的规则就好了，”日本名古屋大学的汤姆·巴克斯说，他没有参与这项研究。“想象一下，如果你有小孩，那么根本不可能整晚都在校准数据。这里存在一点权力失衡。这是一个非常开放的竞争。”
更积极的是，自 JWST 运行最初几周的狂热时期以来，情况似乎有所缓和。现在天文学家们正在做他们长期以来梦寐以求的事情——首次确定地瞥见一个从未研究过的宇宙时代。谁知道我们会看到多远。“也许星系形成早在红移 20 时就开始了，”范·多库姆说，他指的是大爆炸后仅 1.8 亿年的时间，这是一个在 JWST 之前几乎无法想象的时代。然而，如果望远镜向我们展示了什么，那就是期待意想不到的事情。
编者注（2023 年 4 月 14 日）：本文在发布后进行了编辑，以更正巴勃罗·阿拉巴尔·哈罗的姓氏以及与鲨鱼在地球上存在总时间的比较。