在他們探索理解照亮宇宙的第一批恆星和星系的征程中，天文學家們仍然處於黑暗之中——但每次發現都離啟蒙更近一步。
這就是詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）初步觀測得出的幾乎不可避免的結論，這個耗資 100 億美元的觀測站在 7 月開始了科學執行。JWST 的設計目的是瞥見宇宙最早發光物體的微弱紅外光芒，其視野可以追溯到大爆炸後的最初數億年，使其能夠獲得比以往任何設施都更多、更好的關於新生星系的資料。但它收穫的星系“嬰兒照片”比大多數研究人員敢於夢想的還要豐富。簡而言之，早期宇宙中的候選星系以前所未有的數量湧現，迄今為止已經發現了數十個。要解釋這種過量現象，可能需要對流行的宇宙學模型進行重大修正，這些變化可能涉及最早的星系形成得更早、它們的恆星更明亮——或者暗物質或暗能量的本質可能比以前認為的更加複雜和神秘。
現在，JWST 最令人興奮的兩個早期候選星系經受住了進一步的審查，加強了科學家們對宇宙歷史知識至關重要的不完整的懷疑。這兩個星系分別追溯到大爆炸後 3.5 億年和 4.5 億年，在被發現時，它們都比之前已知的任何星系都更古老。它們由兩個團隊獨立發現，一個由羅漢·奈杜領導，他現在在麻省理工學院，另一個由義大利羅馬天文臺的馬可·卡斯特拉諾領導。這兩篇發現論文最初發布在預印本伺服器 arXiv.org 上，現在已經清除了同行評審出版的關鍵障礙，分別在 11 月下旬和 10 月出現在《天體物理學雜誌快報》上。這不僅僅是一個儀式性的里程碑——JWST 儀器的早期校準問題曾引發了天文學家的擔憂，認為這些發現可能錯誤地計算了這些星系的真實距離，使它們成為更現代的冒名頂替者，只是看起來像是早期宇宙集團的一部分。但在經過徹底的同行評審後，“我們可以非常有信心地說，校準對於這些星系來說不是問題，”卡斯特拉諾說。“它們是非常可靠的候選者。我們終於解決了校準問題。” 然而，還需要進行後續觀測，以絕對確認它們破紀錄的距離。
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與此同時，天文學家們已經發現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後 2 億年。在 JWST 發射之前，沒有人知道星系是否能在宇宙 138 億年曆史的早期形成，當時人們認為物質仍在平靜地聚結成引力束縛的團塊，這些團塊是孕育大型恆星群所必需的。“所以我們想知道，‘我們真的瞭解這些星系形成的早期階段嗎？’” 加州大學聖克魯茲分校的天文學家加思·伊林沃斯在美國宇航局舉行的新聞釋出會上說，該釋出會宣佈了前兩個候選者的同行評審驗證。“這對理論家們提出了很多問題。”
其中最主要的問題是，暗物質究竟是如何引導星系出現的。在大爆炸後的最初幾十萬年裡，宇宙太熱了，引力無法將正常物質聚集在一起形成大型原星系團。然而，這對於暗物質來說“不是問題”，蘇格蘭愛丁堡大學的宇宙學家豪爾赫·佩尼亞魯比亞說，“因為暗物質不透過電磁力相互作用。” 相反，只有引力才是這種隱形物質的主宰——這意味著在大爆炸後不久的瞬間，當原始混沌統治一切時，引力立即開始將暗物質聚集在一起，形成被稱為暈的大型團塊。人們認為這些暗物質暈充當了正常物質的引力阱，為早期宇宙中星系的後續形成播下了種子。它們所引導的恆星的明顯運動暴露了它們至今的永續性。這樣的暈仍然像我們自己的星系一樣環繞著星系，是現代宇宙雄偉而不可見的雕塑家。
JWST 迅速發現早期星系可能正在檢驗我們對這些暈是如何形成的理解，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性質。理論家們發現，對暗物質的簡單處理，即它僅透過引力與自身和正常物質相互作用，可以準確地複製大規模的宇宙結構。但自然界無法保證簡單性。在現實中，暗物質可能會因為一種尚未知的力而與自身相互作用，可能透過一個不在當前物理學標準模型中的粒子——這可能會提高這些暈生長的速度，並解釋大型、明亮的星系是如何如此迅速地出現的。
然而，也許相反，這些暈在吸引正常物質以促進恆星形成方面效率更高。“我認為這可能在告訴我們一些關於早期暗物質暈中恆星如何形成的資訊，”佩尼亞魯比亞說。今天，我們的星系每年大約產生一顆新恆星，但卡斯特拉諾的論文表明，在他的和奈杜的兩個候選星系中，恆星形成率必須至少高出 20 倍。另一篇 JWST 衍生的預印本論文假設，銀河系大小的星系可能在大爆炸後僅5 億年後出現——這種情況將需要比卡斯特拉諾的估計值還要高 10 倍的恆星形成率。但德克薩斯大學奧斯汀分校的宇宙學家邁克爾·博伊蘭-科爾欽認為，如此驚人的恆星形成率突破了物理上可能的界限。“如果這些值是正確的，你需要讓 [星系] 將它們所有的質量都轉化為恆星，並儘可能快地形成恆星，”他說。
一種可能更合理的可能性是，恆星在早期宇宙中積累質量的效率更高。這將導致更大、更亮的恆星，從而提高早期星系對 JWST 的可見性。“也許你只是創造了大量非常非常巨大的恆星，”英國蘇塞克斯大學的天文學家斯蒂芬·威爾金斯說。這些可能是所謂的第三星族星，即宇宙中假設的第一批恆星。儘管天文學家尚未最終觀測到此類恆星，但有大量的間接證據表明它們的存在。第三星族星從瀰漫在早期宇宙中的原始氫氣和氦氣中出現，將缺乏較重的元素，使其能夠達到巨大的尺寸——比我們的太陽大數百倍。但就像最亮、最短暫的蠟燭一樣，這些恆星的巨大體積將它們的壽命限制在不超過數百萬年，使得今天探測它們變得困難。
然而，JWST 已經發現的一些更遙遠的星系——以及那些可能仍在等待發現的更古老的星系——可能包含第三星族星的證據。這些星系的亮度可能歸因於此類恆星，它們將比隨後的第二星族星和第一星族星（例如我們的太陽）更熱更亮，後兩者都充滿了我們現代的宇宙。“這絕對有可能，”英國朴茨茅斯大學的宇宙學家丹尼爾·惠倫說。為了確定，JWST 需要對這些更遙遠的星系候選者進行光譜學後續觀測——這是一個耗時的過程，即從星系發出的光中收集彩虹般的光譜，以確定其組成恆星中存在的化學元素。惠倫說，第三星族星的一個明顯特徵可能是氦的特定光譜特徵，這種特徵只能在溫度高於約 100,000 攝氏度的恆星內部產生。“這將是巨大第三星族星的證據，”他說。
此類後續觀測已準備好立即開始。羅切斯特理工學院的傑伊漢·卡達泰佩是一個團隊的成員，該團隊已經獲得了 JWST 的時間批准，以跟進宇宙演化早期釋放科學（CEERS）調查中發現的少量早期星系候選者，卡達泰佩是該調查的主要研究人員。這些候選者的特點是高紅移——宇宙在宇宙時間中膨脹導致其光波長拉伸。這使得卡達泰佩的光譜學後續觀測不僅成為探測星系恆星種群的重要手段，也成為其宇宙歷史的又一個“現實檢驗”。希望這些測量結果將使天文學家能夠“瞭解恆星形成率和恆星的年齡”，卡達泰佩說。該計劃預計最早將於 12 月下旬開始，將使用 8 小時的 JWST 時間來獲取三個目標星系的光譜。未來預計會有更多此類計劃。
其他更耐人尋味的觀點也層出不窮。如果 JWST 發現大規模星系形成的明顯早期爆發在隨後的宇宙時代突然消退，這可能表明當時的宇宙膨脹速度比預期的更快——羅馬天文臺的天文學家尼古拉·門奇說，可能比當前共識估計的速度快兩倍。這可能與一種特殊的（並且迄今為止完全是假設的）暗能量有關，暗能量是一種神秘的力量，似乎驅動著宇宙的加速膨脹。所謂的幻影暗能量模型允許其效力在宇宙時間中波動。如果這些模型有效，它們表明暗能量對宇宙膨脹的影響可能遠大於今天大爆炸後不久的影響。JWST 的初步結果“似乎與我們迄今為止考慮的大多數邏輯模型相矛盾，”門奇說，即 Lambda 冷暗物質（Lambda-CDM），該理論模型納入了宇宙學家目前對暗物質和暗能量的特性及其對宇宙演化的最終影響的最佳估計。
雖然這些想法看似牽強附會，但在天文學家繼續努力解決早期宇宙中星系候選者的普遍存在問題時，還不能完全排除。一些星系最終可能會被證明是海市蜃樓，是更近的星系偽裝成更遙遠的星系，因為它們含有大量塵埃，這也會導致它們的光發生紅移。然而，最初使用智利阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米波陣列（ALMA）對卡斯特拉諾和奈杜星系之一進行的後續觀測表明，幾乎沒有證據表明存在如此高的塵埃含量。“儘管 ALMA 的結果很有趣，但 JWST 是唯一可以對這些星系給出明確答案的儀器，”卡斯特拉諾說。
可能會在 JWST 科學執行的第一年（週期 1，持續到 2023 年 6 月）對這些星系進行更多後續觀測。在科學執行的第二年（週期 2）可能會出現更有趣的結果，天文學家現在可以在 1 月 27 日的截止日期前提交計劃。“使用 JWST 進行光譜學後續觀測至關重要，並且很可能在週期 2 中對遙遠星系的請求中佔據主導地位，”伊林沃斯說。“我們遇到了一個問題，而且是真實存在的問題：這些明亮的東西到底是從哪裡來的？它們不在故事書中。我們真的必須瞭解這裡發生了什麼。”
編者注（22 年 12 月 8 日）：本文在釋出後經過編輯，刪除了訊息來源撤回的引語。