JWST 首次觀測到的早期星系可能會顛覆宇宙學

羅翰·奈杜和他的女朋友在家時，他發現了幾乎顛覆了宇宙學的星系。2022 年 7 月的一個深夜，當他的演算法在詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST) 的早期影像中挖掘時，奈杜立刻引起了注意。它篩選出一個物體，奈杜意識到這個物體巨大無比，可以追溯到大爆炸後僅 3 億年，比以往見過的任何星系都古老。“我立刻叫我的女朋友過來，”奈杜說。“我告訴她，‘這可能是有史以來我們見過的最遙遠的星光。’”在與他的一位合作者交換了激動的資訊（“有很多感嘆號”）之後，奈杜開始工作。幾天後，他們發表了一篇關於候選星系的論文，他們將其命名為“GLASS-z13”。網際網路瞬間炸開了鍋。“它在世界各地引起了反響，”奈杜說。

在 JWST 全面執行的僅僅幾周內就發現了這個星系，這超出了天文學家最瘋狂的夢想。JWST 是有史以來從地球發射的規模最大、功能最強大的天文臺，旨在徹底改變我們對宇宙的理解。它位於距離地球干擾 150 萬公里的地方，並由網球場大小的遮陽板冷卻至接近絕對零度，該望遠鏡巨大的分段鏡和極其靈敏的儀器旨在揭示前所未有的宇宙黎明的細節。

這是一個幾乎未被探索的時代——不早於大爆炸本身後幾億年——最早的恆星和星系在這個時代聚結。這個過程究竟是如何展開的，取決於奇異的物理學，從暗物質和暗能量的不確定影響到恆星光、氣體和塵埃之間知之甚少的反饋。透過使用 JWST 瞥見來自宇宙黎明的星系，宇宙學家可以測試他們對所有這些潛在現象的瞭解——要麼證實他們最佳共識模型的有效性，要麼揭示理解上的差距，這可能預示著深刻的新發現。

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此類觀測本應需要時間；最初的預測估計，最早的星系將非常小而微弱，以至於 JWST 最多隻能在其初步調查中發現幾個有趣的遙遠候選者。事情並沒有完全按計劃進行。相反，當望遠鏡的科學家釋出其首批遙遠宇宙影像時，像奈杜（在麻省理工學院）這樣的天文學家開始在其中發現許多星系，這些星系在表面年齡、大小和亮度上都超過了所有預測。發現的競爭非常激烈：似乎每天都有來自一個或另一個研究小組的又一項打破紀錄的“已知最早星系”的宣告出現。“每個人都嚇壞了，”哥本哈根大學的天體物理學家夏洛特·梅森說。“我們真的沒有預料到會這樣。”

在 JWST 發現令人驚訝的成熟“早期”星系之後的幾周和幾個月裡，理論家和觀測者一直在爭先恐後地解釋它們。大量異常大而明亮的早期星系可能是虛幻的嗎，也許是因為對望遠鏡初始觀測結果的分析存在缺陷？如果是真實的，它們能否以某種方式用標準宇宙學模型來解釋？或者，也許，它們是否是宇宙比我們最大膽的理論所假設的還要奇怪和複雜的第一個暗示？

事關重大的是我們對已知有序宇宙如何從原始混沌中誕生的理解。JWST 的早期啟示可能會改寫宇宙歷史的開篇章節，這不僅關係到遙遠的時代和遙遠的星系，也關係到我們自己在熟悉的銀河系中的存在。“你建造這些機器不是為了證實正規化，而是為了打破它，”JWST 科學家馬克·麥考格林說，他是歐洲航天局科學與探索高階顧問。“你只是不知道它會如何打破。”

宇宙黎明的深度觀察

可以說 JWST 對早期星系的觀測已經醞釀了數十億年，但更謙虛地說，它們可以追溯到 1985 年的太空望遠鏡科學研究所 (STScI)。當時，哈勃太空望遠鏡距離乘坐航天飛機發射還有五年時間。但時任 STScI 副主任的加斯·伊林沃斯有一天感到驚訝，當時他的老闆，也就是 2018 年去世的時任主任裡卡多·賈科尼，要求他開始考慮哈勃之後的更遙遠的未來。“我抗議說，我們在哈勃上已經有足夠多的事情要做了，”伊林沃斯回憶道。但賈科尼堅持說：“相信我，這需要很長時間，”他說。因此，伊林沃斯和其他少數人開始工作，起草了後來被稱為下一代太空望遠鏡 (NGST) 的概念想法，後來更名為 JWST，以紀念一位前 NASA 局長。

哈勃望遠鏡將是變革性的，但天文學家知道其能力將受到其在可見光中觀測的限制。當來自非常遙遠的星系的光線穿越宇宙深淵時，它會被宇宙的膨脹拉伸——波長的展寬稱為紅移。紅移值越高，光線經歷的拉伸就越多，因此其源星系就越遙遠。早期星系的紅移非常高，以至於它們發出的可見光在到達我們的望遠鏡時已經拉伸到紅外線，這就是哈勃望遠鏡看不到它們的原因。相比之下，NGST 將在紅外線下進行觀測，並將擁有一個非常大（且非常冷）的聚光鏡，使其能夠更深入地觀察宇宙。“每個人都意識到韋伯將是觀測早期星系的望遠鏡，”伊林沃斯說。“這成為主要的科學目標。”

1995 年 12 月，當宇航員將哈勃望遠鏡對準一片看似空曠的天空連續 10 天時，對望遠鏡的需求得到了凸顯。許多專家預測，延長觀測將是對資源的浪費，最多隻能揭示少數暗淡的星系，但事實證明，這項努力得到了豐厚的回報。由此產生的影像，哈勃深場，顯示這個“空曠”的地點充滿了數千個星系，可以追溯到我們宇宙 138 億年曆史中的 120 億年。“到處都是星系，”伊林沃斯說，他現在是加州大學聖克魯茲分校的天體物理學家。哈勃深場表明，早期宇宙比大多數人預期的還要擁擠和令人興奮，為那些花時間和精力認真觀察的人提供了觀測寶藏。然而，儘管哈勃深場令人印象深刻，但天文學家想要更多。

經過二十多年的努力，耗資約 100 億美元，JWST 終於在 2021 年聖誕節發射升空。該望遠鏡在一個月後到達其深空目的地，在那裡它將進行詳盡的測試，以確保其最佳效能。到 2022 年 7 月，它已準備好開始期待已久的第一個科學觀測年，稱為週期 1。望遠鏡早期時間的一部分用於各個學科的高影響力專案，這些專案的資料將立即公開。其中兩個專案 CEERS（宇宙演化早期釋出科學調查）和 GLASS（來自太空的稜鏡透鏡放大調查）各自花費了數十小時透過凝視天空中的不同小部分來尋找早期宇宙中的星系。人們並沒有期望太多——也許是稍微更華麗的哈勃深場版本，但僅此而已。德克薩斯大學奧斯汀分校的 CEERS 負責人史蒂文·芬克爾斯坦說，極其遙遠的星系預計只會在多個專案的“幾個資料週期後”才會出現。

然而，令天文學家驚訝的是，極其遙遠的星系立即進入視野。哈勃望遠鏡最遙遠已知星系的記錄是 GN-z11，它於 2015 年被發現，紅移為 11，這要歸功於 2009 年的升級，該升級增強了望遠鏡有限的紅外功能。紅移 11 對應於約 4 億年的宇宙年齡，這是星系形成被認為開始的臨界點。但是從最早的 GLASS 資料來看，兩個團隊——一個由奈杜領導，在那個令人窒息的深夜發現中——獨立發現了紅移為 13 的 GLASS-z13，時間倒退了大約 7000 萬年。

為了快速獲得結果，研究人員依靠從簡單的基於亮度的測量得出的紅移估計。這些方法更容易獲得，但不如直接紅移測量精確，後者需要更多專門的觀測時間。然而，簡化的技術可能是準確的，並且這裡表明一個星系異常明亮和巨大，已經擁有相當於十億個太陽的恆星質量，僅比銀河系的恆星數量少幾百倍，儘管我們自己的星系成熟了數十億年。“這超出了我們最樂觀的預期，”加州大學洛杉磯分校的天文學家、GLASS 的負責人托馬索·特魯說。

這項記錄並沒有持續多久。在接下來的幾天裡，來自 CEERS 和 GLASS 的數十個星系候選者湧現出來，估計紅移高達 20——僅在大爆炸後 1.8 億年——有些星系具有盤狀結構，而這些結構預計不會在宇宙歷史的早期就顯現出來。與此同時，另一個團隊發現了銀河系大小的星系的證據，紅移為 10，距離大爆炸不到 5 億年。

如此龐然大物如此迅速地出現，與宇宙學家標準宇宙演化模型設定的預期背道而馳。這個模型被稱為 Lambda CDM (LCDM)，它包含了科學家對暗能量和暗物質特性的最佳估計，它們共同作用主導著大規模宇宙結構的出現。（“Lambda”指的是暗能量，而“CDM”指的是相對遲緩或“冷”的暗物質。）“即使你拿出所有可用於形成恆星的東西並瞬間打響指，你仍然無法那麼早變得那麼大，”德克薩斯大學奧斯汀分校的宇宙學家邁克爾·博伊蘭-科爾欽說。“這將是一場真正的革命。”

如何構建星系

為了理解這個困境，需要簡要回顧一下。在大爆炸後的第一秒，我們的宇宙是幾乎難以想象的熱和稠密的原始粒子湯。在接下來的三分鐘裡，隨著宇宙膨脹和冷卻，氦和其他非常輕元素的原子核開始形成。快進 40 萬年，宇宙已經足夠冷，可以出現第一批原子。理論家說，當宇宙大約 1 億歲時，條件終於適合第一批恆星的出現。這些主要由氫和氦組成的巨大火球沒有受到現代恆星中發現的較重元素的汙染，因此它們具有顯著不同的特性。這些第一代太陽比今天的恆星更大更亮，它們在原星系中聚結——依附於廣闊、看不見的暗物質支架的氣體團。引力引導了這些原星系之間的後續相互作用，最終合併形成更大的星系。人們認為，早期宇宙的混沌讓位於我們今天所知的更有序的宇宙的這個形成過程大約花費了十億年的時間。

JWST 發現早期宇宙中明亮的星系，對這個模型提出了挑戰。“我們應該看到許多尚未合併形成大星系的小型原星系碎片，”凱斯西儲大學的宇宙學家斯泰西·麥高說。“相反，我們看到一些已經是大星系的東西。”其中一些星系可能是冒名頂替者，是塵埃籠罩的距離更近的星系，當使用基於亮度的測量時，塵埃會使它們看起來更暗更遙遠。然而，2022 年 8 月，智利阿塔卡瑪大型毫米波陣列 (ALMA) 對 GLASS-z13 進行了後續觀測，表明情況並非如此，因為 ALMA 沒有看到大量塵埃的證據。“我認為我們可以排除低紅移闖入者，”日本名古屋大學的天文學家 Tom Bakx 說，他領導了這項觀測。然而，缺乏塵埃意味著 ALMA 很難看到這個星系，這表明望遠鏡要確認使用 JWST 先進功能進行的觀測有多麼困難。“好訊息是沒有探測到任何東西，”奈杜說。“壞訊息是沒有探測到任何東西。”在這種情況下，只有 JWST 可以自行跟進。

最令人震驚的解釋是，規範的 LCDM 宇宙學模型是錯誤的，需要修訂。“這些結果非常令人驚訝，並且在我們的標準宇宙學模型中很難獲得，”博伊蘭-科爾欽說。“而且這可能不是一個小小的改變。我們必須回到繪圖板。”一個有爭議的想法是修正牛頓動力學 (MOND)，它假設暗物質不存在，其影響可以透過引力的大尺度波動來解釋。迄今為止，JWST 的觀測結果可能支援這種理論。“MOND 的許多預測都成真了——這是其中的另一個，”麥高說，他是這個想法的主要支持者之一。其他人仍然不相信。“到目前為止，我們嘗試測試 MOND 的一切都未能真正提供令人滿意的答案，”羅切斯特理工學院的天體物理學家傑漢·卡達特佩說。

一個更簡單的解決方案是，早期宇宙中的星系可能幾乎沒有或根本沒有塵埃，這使得它們看起來更明亮。這種情況可能會混淆計算星系真實質量的努力，並且也可能解釋 ALMA 難以發現 GLASS-z13 的原因。“可能是超新星沒有足夠的時間產生塵埃，或者可能在 [星系形成] 的初始階段，塵埃從星系中排出，”義大利比薩高等師範學院的天文學家安德烈亞·費拉拉說，他提出了這種可能性。或者，梅森和她的同事建議，在 JWST 對早期宇宙的觀測中，到目前為止可能只看到了最亮的年輕星系，因為它們應該是最容易被發現的。“可能早期宇宙中發生了一些事情，這意味著一些星系更容易形成恆星，”她說。

紐約市西蒙斯基金會理論天體物理學家兼現任主席大衛·斯珀格爾對此表示贊同。“我認為我們看到的是，高質量恆星形成在早期宇宙中非常有效，”他說。“氣體壓力更高。溫度更高。這對恆星形成的環境產生了巨大的影響。”磁場可能比我們想象的更早出現在宇宙中，推動物質啟動恆星的誕生。“我們可能看到了磁場在宇宙歷史早期出現的跡象，”斯珀格爾說。

打破宇宙的競賽

來自 JWST 初始觀測結果的科學論文的快速湧入並非偶然；當第一批資料到達時，天文學家們正熱切地等待著。“人們已經為他們的管道工作了多年，”博伊蘭-科爾欽說。天文學家沒有采用傳統的同行評審流程（可能需要數月時間），而是在 arXiv 上發表文章，arXiv 是一個科學論文可以在經過版主最少的審查後但在正式同行評審之前上傳的網站。這種新的審查形式幾乎即時地在 X（以前稱為 Twitter）和其他社交媒體平臺上展開。“這是 arXiv 科學，”奈杜說。由此產生的狂熱是強烈且令人驚訝的。“我預計會有很多活動，”STScI 臨時主任南希·列文森說。“但我低估了數量。”

結果是科學成果可以迅速公開和討論，但有些人擔心會付出代價。“人們有點倉促行事，”STScI 的 JWST 專案科學家克勞斯·龐託皮丹說。“黃金標準是經過審閱的、同行評審的論文。”例如，JWST 的早期校準問題可能影響了一些結果。英國曼徹斯特大學的內森·亞當斯和他的同事發現，可能會發生劇烈的變化，一個紅移為 20.4 的星系被重新校準為紅移僅為 0.7。“我們需要冷靜一下，”亞當斯說。“現在說我們已經完全打破了宇宙還為時過早。”

然而，考慮到 JWST 高紅移星系的數量之多，這些問題不太可能消除所有這些星系。“早期宇宙很可能與我們預測的不同，”芬克爾斯坦說。“我們都錯了的可能性很小。”天文學家現在正在競相利用 JWST 進行後續觀測。列文森說，她目前正在審查來自各個小組的大約十幾個提案，這些提案要求額外的 JWST 觀測時間，其中大多數提案都希望仔細檢查高紅移星系候選者。“考慮到這些早期發現的興奮和重要性，我們認為要求一點時間來確認它們是合適的，”特魯說，他提出了其中一項提案。

更多專案旨在尋找遙遠的星系，例如由卡達特佩共同領導的 COSMOS-Webb，其目標是透過在更廣闊的天空範圍內觀測數百小時，大幅增加已知早期星系的數量。“我們估計我們將能夠探測到數千個，”她說。未來的提案可能會尋找那些第一代原星系的證據，或許可以使用超大質量的第一代恆星在特別明亮和高能的超新星中的爆炸死亡作為其存在的標誌。一些估計表明，JWST 可以看到高達紅移 26 的距離，僅在大爆炸後 1.2 億年，這在宇宙中只是眨眼之間。許多其他工作將用於跟進不斷增長的高紅移候選者名單。“即使確認其中少數幾個也非常了不起，”奈杜說。“這將證明我們沒有被愚弄。”

JWST 迎來了一個新的科學時代，儘管存在不確定性，但新發現的快速傳播激發了天文學家的活力。“這太棒了，”特魯說。“看到社群如此投入和興奮真是太好了。”現在的問題是，如果我們真的可以相信我們所看到的，那麼現在是否應該重新評估我們對時間黎明的理解？“我們正在窺探未知，”梅森說。