天文學家努力應對JWST對早期星系的發(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程中，天文學家仍處于黑暗之中——但一次一個發(fā)現(xiàn)越來越接近啟蒙。

這是詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST)最初觀察得出的幾乎不可避免的結論，該天文臺耗資 100 億美元，于 7 月開始科學運營。JWST 旨在瞥見宇宙最早發(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施更多、更好的關于新生星系的數據。但事實證明，它收集的銀河系“嬰兒照片”比大多數研究人員敢于夢想的還要豐富。簡而言之，早期宇宙中候選星系的數量超出了預測，目前已發(fā)現(xiàn)數十個. 解釋這種過量可能需要對流行的宇宙學模型進行重大修改，這些變化可能涉及第一批星系更快形成，它們的恒星更亮——或者暗物質或暗能量的性質可能比以前想象的更加復雜和神秘。

現(xiàn)在，JWST 最引人注目的候選早期星系中的兩個已經經受住了進一步的審查，加強了科學家們的懷疑，即我們對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，這兩個星系比之前已知的任何其他星系都要古老。它們是由兩個團隊獨立發(fā)現(xiàn)的，一個由現(xiàn)在麻省理工學院的Rohan Naidu 領導，另一個由意大利羅馬天文臺的Marco Castellano 領導。這兩篇發(fā)現(xiàn)論文最初發(fā)布在預印本服務器 arXiv.org 上，現(xiàn)在已經清除了同行評審發(fā)表的關鍵障礙，每一篇都出現(xiàn)在天體物理學雜志快報上分別在 11 月下旬和 10 月。這不僅僅是一個儀式性的里程碑——JWST 儀器的早期校準問題引發(fā)了天文學家的擔憂，即這些發(fā)現(xiàn)可能錯誤計算了到這些星系的真實距離，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。但經過徹底的同行評審后，“我們可以非常有信心地說，校準對這些星系來說不是問題，”卡斯特拉諾說。“他們是非常有實力的候選人。我們終于解決了校準問題。” 然而，需要進行后續(xù)觀察，以絕對確認它們破紀錄的距離。

與此同時，天文學家發(fā)現(xiàn)了其他幾個早期星系候選者，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，沒有人知道星系是否會在宇宙 138 億年的歷史中如此早地形成，當時人們認為物質仍在穩(wěn)定地聚結成產生大星系所需的引力束縛團塊群星。“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?’”加州大學圣克魯茲分校的天文學家加思伊林沃思在宇航局舉行的新聞發(fā)布會上說對前兩名候選人進行同行評審驗證。“這給理論家提出了很多問題。”

其中最主要的是暗物質究竟如何引導星系的出現(xiàn)。在大爆炸后的最初幾十萬年里，宇宙非常熱，引力無法將正常物質聚集在一起形成大的原星系團。然而，這“對暗物質來說不是問題，”蘇格蘭愛丁堡大學的宇宙學家 Jorge Peñarrubia 說，“因為暗物質不通過電磁力相互作用。” 相反，只有引力才是這種無形物質的主人——這意味著在大爆炸后的短短片刻，當原始混沌占據主導地位時，引力立即開始將暗物質聚集在一起，形成被稱為光暈的大團塊。這些暗物質暈被認為充當了普通物質的引力匯，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)的星星的明顯運動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的雕塑家一樣圍繞著星系。

JWST 對早期星系的快速發(fā)現(xiàn)可能正在檢驗我們對這些光暈如何形成的理解，或許表明它們比預期更早地達到了巨大的體積。一種解釋可能涉及暗物質本身的本質。理論家們發(fā)現(xiàn)，對暗物質的簡單處理，即暗物質僅通過引力與自身和正常物質相互作用，可以準確地復制大尺度的宇宙結構。但是大自然并不能保證簡單。實際上，由于一種未知的力，暗物質可能會與自身相互作用，也許是通過一種不在當前物理標準模型中的粒子——可能會增加這些光暈的增長速度，并解釋為什么大而明亮的星系能夠出現(xiàn)得如此之快。