最近，一個國際天文學家團隊穿越回我們宇宙僅有 18 億年曆史的時候。他們當然不是直接前往，而是退而求其次：在位於亞利桑那州東南部的格雷厄姆山頂的大型雙筒望遠鏡天文臺，收集來自遙遠宇宙中一小塊區域的 17 小時的星光。這種時間倒流的虛擬旅行在天文學中是司空見慣的——光速是有限的，這確保了你看到太空越深處，你凝視的時間就越久遠。全球各地的許多天文臺都可以收集來自古老天空的微弱光子。但這次特殊的宇宙之旅關係到一些特別的事情——甚至是令人不安的事情：一個異常巨大的橢圓星系，被稱為 C1-23152。這個雞蛋形狀的恆星聚集體非常龐大，以至於它挑戰了關於其起源的傳統模型。簡而言之，C1-23152 似乎太大，不適合早期宇宙。
人們認為，最早的星系相對微小，是由較小的組成部分一點一點地聚集在一起形成的，並且只有在數十億年的增長後才達到龐大的尺寸。C1-23152 擁有估計 2000 億個太陽質量的恆星，它傾覆並推翻了這種情景的天平。而且它並不孤單。在過去的十年中，天文學家已經發現了幾個非常古老、非常巨大的星系巨獸。例如，在 2017 年，發現一對極其巨大的星系——其中一個能夠每年產生 2,900 個太陽質量的恆星——存在於大爆炸後不到 8 億年的時間內。2019 年，發現39 個巨大的星系家族——每個星系都是一個恆星工廠，每年可能製造 200 個太陽質量的恆星——在宇宙誕生後 20 億年內穿梭於宇宙中。
這些古老而龐大的天體數量不斷增加，是否會威脅到傳統的星系形成模型？“這裡的訣竅是：你有多少？”德國海德堡馬克斯·普朗克天文研究所的天文學家 馬塞爾·尼勒曼 說，他沒有參與這項新研究。少數幾個無關緊要；宇宙足夠大，偶爾會出現奇怪的事情。但是，如果未來更先進的望遠鏡設法發現更多這樣的星系，那麼這些來自宇宙童年時期的巨大星系可能會打破我們對宇宙的理解。
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很久以前，在一個遙遠的星系
目前廣為接受的星系形成模型，很大程度上是從宇宙演化的模擬中收集到的，這些模擬再現了我們對本星系群附近宇宙的觀測結果——我們可以在銀河系附近看到的東西。
尼勒曼說，大爆炸之後，宇宙以相當均勻的方式向各個方向膨脹和延伸。但是，你會得到“宇宙結構中微小的密度變化”。這些變化是 暗物質團塊的所在地，暗物質是一種幾乎不發射電磁輻射的物質。因此，暗物質尚未被直接探測到，但對星系的觀測表明，這種看不見的質量會產生自身的引力。這意味著這些暗物質團塊吸引“普通”物質（我們可以探測到並與之相互作用的物質），其中大部分是氣體。氣體湧入這些引力井並擠壓在一起，從而觸發恆星形成。更多的物質繼續湧入這些不斷擴張的井——天文學家稱之為暗物質“暈”——在宇宙 138 億年的生命週期中逐漸形成越來越大的結構。義大利國家天體物理研究所的天文學家、最近關於 C1-23152 觀測報告的研究報告的主要作者 保羅·薩拉科 說，這個過程應該或多或少地創造出我們今天看到的星系分佈。
這就是為什麼古老的巨型星系存在問題。“對於我們目前對星系形成的理解，我們有點建立在我們當時已知的星系之上，”加州州立理工大學波莫納分校的天文學家 科拉爾·惠勒 說，她沒有參與這項新研究。這些星系不包括非常古老、小或大的星系。隨著越來越強大的望遠鏡進一步回溯時間，開始揭示這些明顯的異常值。隨著異常實體的數量增加，天文學家開始懷疑他們的模型是否需要擴充套件以容納它們，或者這些模型是否會在壓力下彎曲和破裂。
正如 2020 年 12 月在《天體物理學雜誌》中報道的那樣，薩拉科的團隊設法從 C1-23152 中提取了一些有價值的細節。來自遙遠宇宙區域的光在傳播到地球時，會被膨脹的宇宙拉伸。拉伸得越多，它向電磁頻譜中波長更長的“更紅”部分移動得越多。C1-23152 星光的這種“紅移”表明它出現在 120 億年前，早在宇宙的青年時期。僅憑這個星系既古老又巨大這一事實，對於傳統的緩慢而穩步的星系形成模型來說就足夠成問題了。但它不僅僅是完全形成的。薩拉科和他的團隊的真正突破是追溯了 C1-23152 從宇宙各處形成的恆星形成歷史。
這項突破的關鍵在於看到巨型星系的光譜——對物體發射或吸收的各種波長或顏色的彩虹狀測量。特定的顏色組合區分了特定的元素，這意味著這種光譜交響曲可以用來確定星系中恆星的組成。薩拉科說，利用這種力量，“我們首次非常準確地推匯出了 [C1-23152] 內部恆星群的平均年齡以及形成這些恆星所需的時間。”
在 C1-23152 中發現的重於氫和氦的元素數量——天文學家統稱為“金屬”——暗示了它的奇異性。金屬是由恆星形成產生的，恆星形成透過超新星將它們噴射到星系的星際介質中——使它們可供下一代恆星使用。金屬越多，恆星形成的週期就越多，而當今的巨型星系需要數十億年的時間才能變得富含金屬。C1-23152 的光譜顯示，該星系在其早期是一個名副其實的金屬寶庫，這意味著它在首次形成後不久就<0xC2><0xA0>非常<0xC2><0xA0>迅速地製造了<0xC2><0xA0>大量<0xC2><0xA0>的恆星。
有多迅速？恆星的光譜特徵也可以回答這個問題，因為它們揭示了哪些恆星具有年輕或年老恆星的典型元素。C1-23152 中最年輕的恆星大約有 1.5 億年曆史。最古老的恆星大約有 6 億年曆史。這意味著該星系在短短 5 億年內製造了約 2000 億個太陽質量——每年 450 顆恆星的速度，每天超過一顆。這個數字幾乎是銀河系當前產量的 300 倍。如果說大多數星系都是緩慢燃燒的篝火，新的火焰不時冒出來，那麼 C1-23152 就是一堆汽油浸透的篝火。
C1-23152 及其類似的表親給天文學家帶來了一個可能打破模型的難題：巨型星系如何在早期如此迅速地組裝和點燃？就目前而言，簡而言之，答案是它們不能。
在盒子裡培育宇宙
一段時間以來，模擬一直在努力培育這些巨大的星系。但這並不意味著它們根本做不到。相反，問題可能在於它們的程式設計方式。
加州大學河濱分校的天文學家、這項新研究的合著者 本·福雷斯特 說：“當你執行模擬時，你想要模擬多大的體積和你能夠模擬多少細節之間存在權衡，因為你擁有或不擁有計算機能力。”如果這些古老的巨型星系很少見，也許我們沒有使用足夠大的盒子來讓其中一個有機會出現。“也許有些模擬並沒有真正覆蓋足夠的體積，”他說。
快速調整它們以從宇宙時間的早期時代產生巨型星系也不容易。“重新執行它們需要很長時間。如果你想改變某些東西，你必須非常確定那是正確的，並且那是你想做的，”福雷斯特說。
他補充說，一些最新迭代的模擬，憑藉更好的資料和計算能力，確實預測了這些巨型星系在早期少量存在。但與現實觀測到的情況不同，它們往往仍在製造恆星。包括 C1-23152 在內的古老星系，在生產高峰期之後突然停止了恆星形成——要麼是因為它們耗盡了氫和氦燃料，要麼是因為從新生的恆星群和其他過度熱心的天體物理源射出的輻射烹飪了氣體並將其炸出可及範圍。顯然，我們的虛擬食譜中仍然缺少一些成分，因此我們還不能依賴它們來解釋。
科學家們在其他地方找到了線索，這些線索可能解釋了這些古老的巨型星系。劍橋大學的宇宙學家 阿納斯塔西婭·菲亞爾科夫 沒有參與最新的工作，她說，與全面的模擬不同，分析物理計算可以“考慮到宇宙的整體體積”。他們認為，在大爆炸後僅 4000 萬年，就出現了一小部分能夠啟動恆星形成的暗物質暈。
這個時間明顯早於宇宙青年時期晚些時候出現的大多數暗物質暈——這些暗物質暈被認為負責播種我們今天看到的大部分星系。相反，在大爆炸後 4000 萬年出現的暗物質暈有能力播種古老巨型星系的開端，這些星系最終可以透過我們的望遠鏡探測到。惠勒指出，早期宇宙也更稠密。這將使得在這些原始暗物質暈周圍，最終在星系周圍，相當輕鬆地收集恆星製造所需的氫和氦。
尼勒曼說，另一種選擇是可能發生了一系列事情的組合。宇宙中罕見的超稠密區域將允許非常早期的多星系合併，而將氣體輸送到星系中心的流可以為恆星形成提供超動力。
無論如何，如果暗物質是冷的，那麼巨型古老星系的出現就更容易解釋。在這裡，“冷”意味著暗物質移動得相對緩慢。“熱”暗物質的移動速度將接近光速。一般來說，暗物質越冷，它就越容易凝結成星系播種暈。這個假設不一定正確，但“冷暗物質是可行的最簡單的暗物質情景，”菲亞爾科夫說。
目前尚不清楚這些事件中的哪種混合（如果有的話）最能解釋 C1-23152 的起源和演化，更不用說它的巨型表親了。薩拉科說：“我們看到的不是宇宙的特殊角落。”但重要的是，他說，這裡沒有任何東西威脅要推翻傳統的緩慢而穩步的星系形成模型。這些古老、巨大的星系只是代表了星系可以採取的另一條途徑。
回到未來
傳統模型暫時得以倖存，但部分原因僅僅是因為發現的這些巨型星系很少。“我們正在處理小數字統計，”福雷斯特說。然而，科學家們並沒有很好地掌握巨獸的真實數量。在情況發生改變之前，瞭解它們對我們的宇宙理解產生的影響以及星系如何以不同的方式演化仍然是模糊不清的。
也許我們已經看到了比我們意識到的更多的這些古老巨型星系。對於詳細研究，我們的望遠鏡通常會被最亮的巨大但已燃盡的星系所吸引，然後才會揭示它們的性質。然而，英格蘭巴斯大學的天文學家 斯泰因·維茨 說，天文學家已經發現了早期宇宙中懸掛著的具有其他類似特徵的較暗物體，他沒有參與最近的工作。它們可能僅僅是質量較小的星系，或者是在恆星形成旺盛期之後很久才觀測到的更古老的巨型星系。這些物體是離我們較近的昏暗蠟燭，還是遠在天邊的巨大篝火？
與以往一樣，需要更多的資料——。幾架即將到來的望遠鏡將幫助我們進行這次穿越時空的星系普查。
首先，需要發現遙遠過去的疑似明亮斑點。“如果你想要獲得大量候選者，那麼寬視場非常棒，”福雷斯特說。南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡，以前被稱為 WFIRST，目前目標是在 2025 年發射，它的視場相當於 100 個哈勃太空望遠鏡：它寬闊而靈敏的眼睛將看到許多可能的古老巨型星系。
然後，需要透過檢視它們的不同光譜來法醫檢查這些候選者，以確定它們的特性並確認它們確實是這樣的星系，而不是冒名頂替者。“理想情況下，你想要一個真正大的望遠鏡，”福雷斯特說。“這給你提供了更多的收集面積——對於來自物體的光子來說，它是一個更大的桶。”如果夏威夷的 三十米望遠鏡 建成，它可能是合適的，而 極大望遠鏡 也可能符合要求。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡——在經歷了多次延誤後，終於計劃於今年 10 月發射——也應該能夠很好地工作。“它沒有那麼大，”福雷斯特說。“光子的桶稍微小一點，但你不需要穿過大氣層進行觀測，”因此需要處理的干擾更少。
薩拉科對這些即將到來的下一代放大鏡特別興奮，因為它們不僅僅會發現極其遙遠的物體。“我們將能夠觀察內部 [一個] 星系，在單個恆星形成區域，”他說。換句話說，天文學家將獲得更精細的檢視，而不是星系整體特徵的模糊影像——粗略草圖和詳細繪畫之間的區別——從而開啟我們理解星系如何形成的新篇章。
在這種幫助到來之前，這個科學領域將仍然處於起步階段。“星系形成中存在太多的不確定性，”惠勒說。
在黑暗中追逐怪物可能令人不安。它們威脅著時代的教條，迫使我們擴充套件早期的模型以適應它們。如果這些模型拉伸到即將破裂的程度，那也沒關係。“我們希望在某種程度上挑戰模型，”惠勒說。“當事物不匹配時，那時才變得有趣。”