天文學(xué)家努力應(yīng)對(duì)JWST對(duì)早期星系的發(fā)現(xiàn)

在他們尋求了解照亮宇宙的第一批恒星和星系的過(guò)程中，天文學(xué)家仍處于黑暗之中——但一次一個(gè)發(fā)現(xiàn)越來(lái)越接近啟蒙。

這是詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡 (JWST)最初觀察得出的幾乎不可避免的結(jié)論，該天文臺(tái)耗資 100 億美元，于 7 月開(kāi)始科學(xué)運(yùn)營(yíng)。JWST 旨在瞥見(jiàn)宇宙最早發(fā)光物體的微弱紅外光，其視野可以追溯到大爆炸后的最初幾億年，使其能夠獲得比任何其他已建成設(shè)施更多、更好的關(guān)于新生星系的數(shù)據(jù)。但事實(shí)證明，它收集的銀河系“嬰兒照片”比大多數(shù)研究人員敢于夢(mèng)想的還要豐富。簡(jiǎn)而言之，早期宇宙中候選星系的數(shù)量超出了預(yù)測(cè)，目前已發(fā)現(xiàn)數(shù)十個(gè). 解釋這種過(guò)量可能需要對(duì)流行的宇宙學(xué)模型進(jìn)行重大修改，這些變化可能涉及第一批星系更快形成，它們的恒星更亮——或者暗物質(zhì)或暗能量的性質(zhì)可能比以前想象的更加復(fù)雜和神秘。

現(xiàn)在，JWST 最引人注目的候選早期星系中的兩個(gè)已經(jīng)經(jīng)受住了進(jìn)一步的審查，加強(qiáng)了科學(xué)家們的懷疑，即我們對(duì)宇宙歷史的了解是極其不完整的。追溯到大爆炸后的 3.5 億年和 4.5 億年，在它們被發(fā)現(xiàn)時(shí)，這兩個(gè)星系比之前已知的任何其他星系都要古老。它們是由兩個(gè)團(tuán)隊(duì)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)的，一個(gè)由現(xiàn)在麻省理工學(xué)院的Rohan Naidu 領(lǐng)導(dǎo)，另一個(gè)由意大利羅馬天文臺(tái)的Marco Castellano 領(lǐng)導(dǎo)。這兩篇發(fā)現(xiàn)論文最初發(fā)布在預(yù)印本服務(wù)器 arXiv.org 上，現(xiàn)在已經(jīng)清除了同行評(píng)審發(fā)表的關(guān)鍵障礙，每一篇都出現(xiàn)在天體物理學(xué)雜志快報(bào)上分別在 11 月下旬和 10 月。這不僅僅是一個(gè)儀式性的里程碑——JWST 儀器的早期校準(zhǔn)問(wèn)題引發(fā)了天文學(xué)家的擔(dān)憂，即這些發(fā)現(xiàn)可能錯(cuò)誤計(jì)算了到這些星系的真實(shí)距離，使它們成為更現(xiàn)代的冒名頂替者，似乎只是早期宇宙小圈子的一部分。但經(jīng)過(guò)徹底的同行評(píng)審后，“我們可以非常有信心地說(shuō)，校準(zhǔn)對(duì)這些星系來(lái)說(shuō)不是問(wèn)題，”卡斯特拉諾說(shuō)。“他們是非常有實(shí)力的候選人。我們終于解決了校準(zhǔn)問(wèn)題。” 然而，需要進(jìn)行后續(xù)觀察，以絕對(duì)確認(rèn)它們破紀(jì)錄的距離。

與此同時(shí)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了其他幾個(gè)早期星系候選者，其中一些似乎可以追溯到大爆炸后 2 億年。在 JWST 發(fā)射之前，沒(méi)有人知道星系是否會(huì)在宇宙 138 億年的歷史中如此早地形成，當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為物質(zhì)仍在穩(wěn)定地聚結(jié)成產(chǎn)生大星系所需的引力束縛團(tuán)塊群星。“所以我們想知道，‘我們真的了解這些星系形成的早期階段嗎?’”加州大學(xué)圣克魯茲分校的天文學(xué)家加思伊林沃思在宇航局舉行的新聞發(fā)布會(huì)上說(shuō)對(duì)前兩名候選人進(jìn)行同行評(píng)審驗(yàn)證。“這給理論家提出了很多問(wèn)題。”

其中最主要的是暗物質(zhì)究竟如何引導(dǎo)星系的出現(xiàn)。在大爆炸后的最初幾十萬(wàn)年里，宇宙非常熱，引力無(wú)法將正常物質(zhì)聚集在一起形成大的原星系團(tuán)。然而，這“對(duì)暗物質(zhì)來(lái)說(shuō)不是問(wèn)題，”蘇格蘭愛(ài)丁堡大學(xué)的宇宙學(xué)家 Jorge Peñarrubia 說(shuō)，“因?yàn)榘滴镔|(zhì)不通過(guò)電磁力相互作用。” 相反，只有引力才是這種無(wú)形物質(zhì)的主人——這意味著在大爆炸后的短短片刻，當(dāng)原始混沌占據(jù)主導(dǎo)地位時(shí)，引力立即開(kāi)始將暗物質(zhì)聚集在一起，形成被稱為光暈的大團(tuán)塊。這些暗物質(zhì)暈被認(rèn)為充當(dāng)了普通物質(zhì)的引力匯，為早期宇宙中隨后形成的星系播種。直到今天，他們所牧養(yǎng)的星星的明顯運(yùn)動(dòng)都暴露了他們的忍耐力。這樣的光環(huán)仍然像我們自己的現(xiàn)代宇宙的宏偉但看不見(jiàn)的雕塑家一樣圍繞著星系。

JWST 對(duì)早期星系的快速發(fā)現(xiàn)可能正在檢驗(yàn)我們對(duì)這些光暈如何形成的理解，或許表明它們比預(yù)期更早地達(dá)到了巨大的體積。一種解釋可能涉及暗物質(zhì)本身的本質(zhì)。理論家們發(fā)現(xiàn)，對(duì)暗物質(zhì)的簡(jiǎn)單處理，即暗物質(zhì)僅通過(guò)引力與自身和正常物質(zhì)相互作用，可以準(zhǔn)確地復(fù)制大尺度的宇宙結(jié)構(gòu)。但是大自然并不能保證簡(jiǎn)單。實(shí)際上，由于一種未知的力，暗物質(zhì)可能會(huì)與自身相互作用，也許是通過(guò)一種不在當(dāng)前物理標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子——可能會(huì)增加這些光暈的增長(zhǎng)速度，并解釋為什么大而明亮的星系能夠出現(xiàn)得如此之快。