JWST 图片挑战星系形成理论

近 100 年来，天文学家一直知道宇宙在膨胀。星系正在远离我们，而星系越远，其退行速度越快。这一事实促使宇宙学家提出了 大爆炸理论；如果你将宇宙当前的膨胀倒回时间，最终你会得到一个阶段，届时一切都浓缩成一个点——奇点——大约在 138 亿年前。

由于光线需要时间穿过空间，我们看得越远，就是在回溯越久远的过去。得益于现已投入使用的詹姆斯·韦伯空间望远镜 (JWST)，天文学家现在能够比以往任何时候都看得更远。

NASA 发现 6 个星系

根据 2 月份发表在《自然》杂志上的一项研究，天文学家利用 JWST 的红外仪器的数据，发现了宇宙婴儿时期可能存在的六个巨大星系。如果得到证实，这些庞大的宇宙实体可能会重塑我们对宇宙起源的认知。

古老星系

来自德克萨斯大学奥斯汀分校的天文学家 Mike Boylan-Kolchin 表示，科学家们现在认为我们看到的星系可以追溯到 134.8 亿年前——即大爆炸后仅 3.2 亿年。

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“当然，这些星系中的恒星形成也需要一些时间，所以这些星系在宇宙历史中形成得更早，”他说。“这，加上 JWST 的强大功能，让我们预期可以看到更早时期的星系，可能追溯到大约 135.5 亿年前 [或大爆炸后 2.5 亿年]。”

观测宇宙中的古老星系

天文学家在观测古老星系时，并非直接测量它们的年龄。相反，他们测量的是所谓的“红移”。这指的是 宇宙光在前往地球的旅程中被拉伸的波长；如果它根本没有被拉伸，红移就是 0，但如果它被拉伸到其原始波长的两倍，红移就是 1。

红移拉伸因子

“这与宇宙膨胀的关键联系在于，拉伸因子——红移——与宇宙在光发射时和观测时之间膨胀了多少直接成正比，”Boylan-Kolchin 说。“这就是为什么红移测量如此关键：它们提供了光发射以来宇宙膨胀了多少的信息，并且通过宇宙学模型，我们可以将这种膨胀转化为时间 [或距离]。”

JWST 图片颠覆宇宙模型

然而，有趣的是，JWST 进行 的一些观测 与宇宙学家建模的早期宇宙星系演化并不完全吻合。

JWST 观测

这些观测涉及红移 z~7-10 的星系，这意味着它们不是我们能观测到的最遥远的星系，那些是在大爆炸后约 3.2 亿年时我们看到的。 (那些是 z = 13 的星系。) 而这些星系则来自稍晚——大约在大爆炸后 5 亿到 7 亿年。

“这些星系候选物的显著特征是，尽管它们只比宇宙的年龄晚了 2 倍左右，但它们的质量似乎比最早的星系大 100 或 1000 倍，”Boylan-Kolchin 说。“而这正是问题的症结所在：根据我们目前的宇宙学模型，我们可以预测，在爆炸后约 7 亿年，星系的最大质量理论上限。而这些星系候选物的质量正好处于那个上限，”他说。

对形成理论的影响

当然，它们并没有超出上限，但根据 Boylan-Kolchin 的说法，理论上的上限对于真实星系来说是不可行的。天文学家预计，平均而言，大多数星系的质量会比上限低 10 倍，这与他们对年轻星系（红移较高）的观测结果一致。

但如果天文学家继续识别出质量达到其模型上限的红移 z~7-10 星系，这将需要对这些星系如何形成有新的认识——或者一个修订版的宇宙学模型来解释它们最初是如何变得如此巨大的。

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关于巨大星系的解释

Boylan-Kolchin 解释说，天文学家看到的现象可能有一些解释。

吸积

可能是因为这些巨大星系候选体的一部分光线并非来自恒星，而是来自 吸积——由于引力作用，粒子不断积聚形成一个巨大天体——进入超大质量黑洞。这意味着天文学家可能高估了这些星系的质量。

光子的转化

或者，可能是光子转化为恒星质量的计算不正确：这意味着，这些星系的光主要由质量最大的恒星产生，但它们的总质量则由质量较小的恒星主导，因为质量大的恒星非常稀少。如果天文学家没有正确地进行这种转化，那么我们可能又会高估这些星系的质量。

高效的星系形成

另一种可能性是，在我们宇宙历史的非常早期，星系形成极其高效，使得在短时间内将大量可用质量转化为恒星成为可能。这将需要修改我们目前的星系形成模型，而宇宙学家们已经在此方面进行研究。

“如果这些星系得到证实，以及/或者在即将到来的 JWST 观测中出现更多类似的系统，那么就很有可能表明我们需要评估修改宇宙学模型的方法，”Boylan-Kolchin 说。

JWST 改变了对宇宙的看法

我们应该从詹姆斯·韦伯空间望远镜中学到什么？随着未来一年 JWST 带来更多数据，Boylan-Kolchin 认为天文学家将更清楚地了解他们的模型是否存在真正的缺陷，还是可以通过前面提到的某些想法来解释他们的观测。

对于那些对宇宙起源感兴趣的人来说，这无疑是一个激动人心的时刻。

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