自詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 在 2021 年 12 月发射后向宇宙张开其巨大的红外眼睛以来，它一直在发现大量可以追溯到非常早期宇宙的明亮星系。它们的亮度——代表其恒星数量和质量的指标——非常令人费解，因为星系不应该有足够的时间在如此早期的宇宙时期变得如此庞大。想象一下，您访问一个外国，发现那里的许多幼儿体重与青少年一样重。您也可能会有疑问：孩子们如此庞大是因为水中的某些物质，还是可能是您对人类生长的理解从根本上存在缺陷？思考 JWST 庞大、明亮的早期星系的天体物理学家也有相同的感受：我们对宇宙学的理解是否出了什么根本性的问题？也就是说，我们对宇宙大爆炸后宇宙膨胀的知识是否完全错误？
答案似乎不必如此戏剧化。几项针对这些早期星系的研究现在指向了对意外尺寸的天体物理学解释——例如早期形成黑洞或恒星爆发——而不是一些物理学突破性的结果。“现在大多数人都会把钱押在天体物理学解释上，”奥斯汀德克萨斯大学的宇宙学家迈克·博伊兰-科尔钦说。“我也把自己归为这一类。”
在 JWST 首次亮相之前，它的前辈哈勃太空望远镜保持着有史以来发现的最早星系的记录。我们可以看到那个名为 GN-z11 的天体，它大约在 134 亿年前，即大爆炸后约 4 亿年。然而，一旦 JWST 将目光投向宇宙，它便多次打破了哈勃的记录。科学家们现在正在研究可以追溯到大爆炸后至少 3.2 亿年的星系。今年晚些时候，正在进行的 JWST 星系巡天的新数据发布应该会将这一记录推向更远。
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JWST 发现的最古老的星系比预期的更明亮、更活跃，其恒星形成率与今天银河系每年形成一颗恒星的速率相当。但它们被挤压到更紧凑的区域，大约是我们星系大小的千分之一。当 JWST 深入早期宇宙时，它还检查了更近期的宇宙历史，直至大爆炸后约 7.5 亿年。在那里发现的较老的星系仍然非常年轻和奇怪：它们大约是银河系大小的三十分之一（比预期更大），并且恒星形成率必定是我们星系的 1000 倍。科学家们将这些相对较老的系统称为超大质量星系，并一直在挠头：目前的模型无法完全解释这两组星系。
在期刊《物理评论快报》中，约翰斯·霍普金斯大学的纳什万·萨布蒂和他的同事最近提出了对 JWST 超大质量星系的解释。他们使用了哈勃的现有数据，检查了与这些星系在同一宇宙时期（大爆炸后约 4.5 亿至 7.5 亿年）的数百个星系的紫外光。与主要在红外波段进行观测的 JWST 不同，哈勃对电磁频谱的紫外端敏感，年轻的大质量恒星在那里发出最明亮的光芒。哈勃的紫外观测使研究人员能够更好地衡量神秘的超大质量星系中的恒星形成率。“因此，我们得到了恒星形成率——恒星质量随时间的变化——以及来自 JWST 的恒星质量本身，”萨布蒂说。
“我们表明，哈勃并没有给你在宇宙学方面留下太多回旋余地。这意味着[超大质量星系的]来源很可能是天体物理学。”
——纳什万·萨布蒂，约翰斯·霍普金斯大学
通过比较这两部分信息，萨布蒂和他的同事发现，这些星系可以在我们宇宙的宇宙学模型——Lambda 冷暗物质（Lambda-CDM）模型的范围内得到解释。它最能复现观测到的星系和其他大型宇宙结构的模式和特性。不需要深奥的物理学。事实上，任何这样的调整都会使哈勃的观测结果与 JWST 相矛盾；这些星系的增长完全符合 Lambda-CDM 模型的预测。“我们表明，哈勃确实没有给你在宇宙学方面留下太多回旋余地，”萨布蒂说。“这意味着[超大质量星系的]来源很可能是天体物理学。”
博伊兰-科尔钦表示，这篇论文在比较宇宙这一时期的哈勃和 JWST 数据方面提出了一个“很好的观点”。然而，他目前尚未完全信服。“我不认为必须是天体物理学解释的情况是完全确凿的，”他说。“漏洞在于你并不一定用 JWST 和哈勃观测到相同的星系。星系对于 JWST 来说可能是 [在红外波段] 发光的，但对于哈勃来说是不可见的。如果最庞大的星系恰好处于 [红外] 范围内，那么哈勃可能就看不到它们。”
然而，萨布蒂的论文并不是唯一指向 JWST 奇异星系的天体物理学解释的最新研究。今年早些时候，在《天体物理学杂志快报》中，约翰斯·霍普金斯大学和巴黎索邦大学的约瑟夫·西尔克和他的同事研究了 JWST 看到的最早的星系，它们比 GN-z11 更早出现。研究人员写道，如果黑洞在星系之前形成，在大爆炸后的最初 5000 万年内形成，那么可能有一种方法可以在宇宙中更快地生长星系。这可以解释为什么早期宇宙中的恒星形成率如此之高：黑洞可能比预期更早地为星系提供能量，并将尘埃和气体云更快地压缩成恒星。该机制涉及相当容易理解的天体物理过程，称为反馈和外流。
西尔克说：“在 JWST 的观测中，黑洞比我们预期的要多得多，而且它们所在的星系非常紧凑，”直径仅约 300 光年，而银河系的直径为 100,000 光年。“这意味着反馈大大增强，”西尔克说。“我们的基本假设是，黑洞确实是在大多数恒星之前形成的，它们剧烈的外流然后产生了大量的恒星。随着时间的推移，这种情况逐渐消失，并导致了我们 [今天] 拥有的更传统的恒星形成。我们认为这只是早期发生的一种非常特殊的现象，可以解释我们在 JWST 中看到的谜团。”
哈佛-史密森天体物理学中心的法比奥·帕库奇和他的同事研究了黑洞可能在星系演化的后期所起的作用。在像我们现代宇宙中的银河系这样的星系中，恒星的质量超过了星系中心超大质量黑洞的质量——这是大型星系中普遍存在的特征——比例为 1000 比 1。
帕库奇使用 JWST 检查了大爆炸后 7.5 亿至 15 亿年的星系，发现这个窗口中的一些星系可能有一个黑洞，其质量与它们的恒星质量相匹配——甚至可能超过它。这指向了早期宇宙中黑洞增长的模型，在该模型中，黑洞是从宇宙最初 1 亿年中的尘埃和气体云的直接坍塌中增长起来的，而不是从恒星中增长起来的。该提议与西尔克及其同事的提议一致，因此可能支持对星系早期快速增长的天体物理学解释。
如果这个想法是正确的，即将到来的引力波天文台——例如激光干涉仪空间天线 (LISA) 空间天文台，该天文台最近获得了欧洲航天局的批准，计划于 2035 年发射——可能会发现这些“重种子”黑洞。“如果这些重种子确实存在，那么我们将在 LISA 中看到大量的合并，”帕库奇说。“这有可能缓解质量过大的问题。”
也有一些方法可以在没有黑洞的情况下解释 JWST 的星系。西北大学的孙国超和他的同事提出，宇宙中的一些星系可能经历过“爆发性”恒星形成时期。大量的超新星可能暂时导致了大约 1000 万年或更长时间的反馈过程，从而将恒星形成率提高到“比更平静的星系高 10 到 100 倍”，孙说。
这可能导致早期宇宙中一些星系的亮度“非常剧烈地跳跃”，从而导致更多可见的明亮星系的样本出现偏差。“你不需要以非常高的效率形成恒星，”孙补充道。JWST 神秘的明亮早期星系可能仅仅代表了恒星形成剧烈波动的上限，而较暗、更平凡的星系可能数量更多，但到目前为止，尚未被看到。
天体物理学，目前而言，占据主导地位。然而，风险很大。“宇宙学可能在这里发挥作用的事实意味着，在排除它之前，真的值得继续跟进，”博伊兰-科尔钦说。黑洞和恒星形成是有希望的解释，但科学家们将关注 JWST 的最新结果，以观察哪些新模型（如果有的话）能够站得住脚。