沒人預料到它們。它們本不應該在那裡。而現在，沒人能解釋它們是如何形成的。
幾乎與銀河系一樣巨大，並且充滿了成熟紅色恆星的星系似乎分散在詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（韋伯或 JWST）在其早期觀測活動中獲得的深空場影像中，這讓天文學家們感到頭疼。
這些星系在一項基於韋伯首次資料釋出的新研究中被描述，它們非常遙遠，以至於對於強大的望遠鏡來說，它們只呈現為微小的紅色點。透過分析這些星系發出的光，天文學家確定他們在我們宇宙的嬰兒期觀察到它們，僅在大爆炸後 5 億至 7 億年。
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這種早期的星系本身並不令人驚訝。天文學家預計，第一批星團在宇宙脫離所謂的黑暗時代後不久就出現了——宇宙存在的最初 4 億年，當時只有濃厚的氫原子霧瀰漫在太空中。
但在韋伯影像中發現的星系顯得異常巨大，而且其中的恆星也太古老了。新發現與現有關於早期宇宙外觀和演化的想法相沖突，並且與韋伯功能較弱的前身——哈勃太空望遠鏡——之前的觀測結果不符。
“我們對早期宇宙中存在的星系型別有特定的預期：它們年輕且體積小，”賓夕法尼亞州立大學天文與天體物理學助理教授、該研究的作者之一喬爾·萊賈在電子郵件中告訴 Space.com。“之前使用哈勃和其他儀器對早期宇宙的研究傾向於發現早期的小型、藍色、嬰兒星系：這些天體剛剛從原始宇宙湯中形成，並且它們自身正在構建早期的恆星和結構。”
一般來說，年輕的恆星會發出明亮的藍光。隨著年齡的增長，恆星會隨著燃料的燃燒和冷卻而呈現更紅的光芒。在韋伯旨在發現的古老星系中，天文學家並沒有期望看到古老的紅色恆星。他們也沒有期望發現質量超過十億個太陽的星系。但萊賈說，韋伯深空場中揭示的那些紅色點似乎比這還要大 50 倍。
“我們樣本中質量最大的星系估計質量[比我們銀河系低兩到四倍]，”萊賈寫道。“這令人震驚——我們發現的星系候選者質量與我們自己的星系一樣大，而當時宇宙只有目前年齡的 3%。”
萊賈說，在天文學家開始改寫宇宙學理論來解釋這些星系在大爆炸後如此迅速地聚集在一起之前，他們必須確保他們看到的奇怪紅點不是其他東西。然而，萊賈說，大多數其他解釋也需要全新的概念。
“例如，早期宇宙中的恆星可能由於缺乏重元素而以奇異的方式發光，也許我們沒有將這些納入我們的模型中，”萊賈寫道。“或者，也許我們對恆星如何在區域性形成的理解，例如恆星質量的函式中有多少恆星從氣體中形成，在早期宇宙中完全不適用。這些事情也令人興奮地發現，並且也會顛覆我們對早期宇宙中恆星形成的理解——只是方式非常不同。”
揭示這些令人費解的星系的影像是韋伯的近紅外相機 (NIRCam) 作為宇宙演化早期釋出科學 (CEERS) 計劃的一部分獲得的。天文學家計劃很快再次將韋伯的鏡面轉向這些星系，這次是為了獲得那些遙遠點的光譜。光譜根據其波長成分分解觀測到的光，從而揭示其來源的化學和物理性質。
“最重要的是，光譜可以非常精確地給出這些天體的距離，”萊賈說。“這些天體的“距離”和“身份”是相關的：如果我們知道距離，我們就可以確定身份，反之亦然。因此，光譜將立即告訴我們我們的假設是否正確。”
在韋伯團隊釋出首批觀測結果——來自這個宏偉的觀測臺——僅僅六個多月後，科學家們已經被挑戰去改寫他們關於早期宇宙的理論。
“我們第一次觀察非常早期的宇宙，並且不知道我們會發現什麼，”萊賈在賓夕法尼亞大學的宣告中說。
“事實證明，我們發現了一些如此出乎意料的東西，以至於實際上給科學帶來了問題。它使早期星系形成的整個圖景都受到質疑。”
該研究於週三（2 月 22 日）發表在《自然》雜誌上。
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