在一場宇宙學的“是還是不是？”的對決中，前者佔據了絕對優勢——至少十比一。問題至關重要：詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST) 在早期宇宙中看到的星系真的像我們認為的那樣遙遠嗎？到目前為止，答案是響亮的肯定。“這些星系中的絕大多數都得到了證實，”德克薩斯大學奧斯汀分校的天文學家史蒂文·芬克爾斯坦說。“這意味著我們去年夏天看到的一切，也許宇宙在早期非常擅長形成恆星，都將站得住腳。”
2022 年夏季，JWST 引發了大量發現。在 2021 年 12 月發射以及半年多的除錯之後，JWST 於 2022 年 7 月完全啟動。幾乎緊隨其後，其前所未有的紅外靈敏度揭示了來自遙遠宇宙的星系微弱的光芒，這些星系顯然是在大爆炸後僅數億年形成的。天文學家曾預計此類里程碑式的成果會更逐漸地出現。“資料呈爆炸式增長，”芬克爾斯坦說。
早期的結果如此迅速地出現，是因為研究人員使用了一個聰明的捷徑來估計星系距離。天文學家通常透過精確測量紅移來確定宇宙座標，紅移是由於宇宙膨脹導致星系的光向電磁頻譜的紅色端延伸。但這需要組裝和分析星系光譜的行為——這是一個耗時且微妙的過程，稱為光譜學。JWST 的發現洪流反而由更粗略、更快速的基於光度學的技術驅動，這些技術本質上是利用星系亮度的明顯變化來估計它們的紅移。
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因此，雖然光度學結果在去年夏天來得又快又多，但光譜學結果才剛剛開始涓涓細流般地湧現出來。然而，僅憑來自大約十幾個候選者的基於光譜的距離，研究人員發現，大多數測量結果與早期的光度學結果相符。最新的研究結果發表在《自然·天文學》上週的雜誌上，證實了 JWST 高階深外星系調查 (JADES) 確定的另外四個星系的早期距離估計。“我們為此等待了幾十年，”赫特福德郡大學的艾瑪·柯蒂斯-萊克說，她領導了光譜學結果研究。“能夠在望遠鏡投入使用的頭幾個月內做到這一點真是令人難以置信。”
在這四個星系中，最遙遠的一個星系的名字有點笨拙，叫做 JADES-GS-z13-0。它的紅移值為 13.2，這意味著我們看到的是該星系在大爆炸後僅 3.2 億年時的樣子。如此高的紅移使 JADES-GS-z13-0 成為目前宇宙中已知的最遙遠的星系——JWST 似乎註定會再次打破這一紀錄，但這突顯了天文學家如此興奮的原因。我們現在確信我們正在探測一個人類從未見過的宇宙時代。“這太令人震驚了，”耶魯大學的彼得·範·多庫姆說。他生動地指出，從我們的角度來看，這個星系只比鯊魚在地球上存在的時間稍微古老一些——大約 3 億年。“你眨眼之間就從虛無變成了這些完全形成的星系，”範·多庫姆說。
然而，並非所有高紅移候選星系都如此幸運，這突顯了天文學家早期的謹慎。7 月，另一項名為宇宙演化早期釋放科學調查 (CEERS) 的調查（由芬克爾斯坦領導）發現了一個可能的星系，其紅移值為 16.4，僅在大爆炸後 2.4 億年。隨後的光譜學表明，這一推斷是錯誤的，正如國家科學基金會 NOIRLab 的天文學家巴勃羅·阿拉巴爾·哈羅領導的研究在 3 月下旬揭示的那樣。這個星系實際上是一個塵埃矇蔽的冒名頂替者，位於紅移 4.9 處，仍然令人印象深刻，但絕不是破紀錄的，在大爆炸後 12 億年。人們認為高水平的恆星形成混淆了早期的光度學分析。“我們很容易被汙染所愚弄，”蘇格蘭愛丁堡大學的卡勒姆·多南說，他是這項工作的合著者。“一個高紅移星系可能會被一個具有不同特徵的低紅移星系所模仿。”
好訊息是，這個特定的星系似乎是一個“獨特的案例”，多南說。同一項研究能夠證實，另外兩個候選星系沒有同樣的問題。其中之一是梅西星系，它在紅移 11.4 處被觀測到，大約在大爆炸後 4 億年，並以芬克爾斯坦的女兒的名字命名。“當我告訴她這是真的時，她非常興奮，”芬克爾斯坦說。
既然這些星系得到了證實，它們的科學意義就可以得到更充分的探索。這些星系很小，比銀河系小很多倍。但有些星系看起來非常明亮和巨大，並且具有與我們星系相似的高恆星形成率，我們星系大約每年形成一顆新恆星。雖然這些星系尚未對宇宙學的主流模型構成問題，但它們表明星系形成開始得更早，並且比宇宙中預期的更快地進行，理論家此前預測宇宙在大爆炸後十億年的成熟年齡開始大量產生星系。
“我們看到大質量星系的崛起速度比我們之前認為的要快，”哈佛-史密森天體物理學中心的法比奧·帕庫奇說。其中一些早期星系的年齡估計只有數千萬年。這可能對塑造早期星系的大型暗物質結構（稱為暈）以及暗物質粒子本身的性質產生影響。“最大的未解之謎之一是：暗物質是什麼？”劍橋大學的桑德羅·塔切拉說。“第一代星系是不同暗物質模型的敏感探測器。”
仍然存在一些有問題的——並且可能打破模型的——早期宇宙候選星系。其中首當其衝的可能是澳大利亞斯威本科技大學的伊沃·拉貝及其同事鑑定出的一類星系。該團隊發現了數十億太陽質量的星系，其重量與銀河系相當，來自估計在大爆炸後僅 7.5 億年。這些星系比之前在這個時代看到的星系大 10 到 100 倍，並且被擠壓到比銀河系小 30 倍的結構中。“它們很小，但質量很大，”拉貝說，他表示 JWST 基本上在它在天空中深入觀察的任何地方都在繼續發現類似的星系。目前，這些星系僅透過光度學進行了研究，光譜學分析計劃在 7 月進行。但到目前為止，其他 JWST 結果的光度學成功表明，拉貝及其同事的初步分析是正確的。“那裡最極端的星系似乎仍然構成問題，”德克薩斯大學奧斯汀分校的邁克爾·博伊蘭-科爾欽說，他沒有參與本文討論的 JWST 觀測。“其中一些系統將不得不以比銀河系快 1000 倍的速度形成恆星。問題是：這是一個不可能的高恆星形成量嗎？”
該領域繼續快速變化。一項名為 COSMOS-Webb 的正在進行的調查預計將提供更多高紅移候選者。“我們在提案中的估計是[找到紅移]高達 10 左右的星系，”羅切斯特理工學院的傑漢·卡塔特佩說，他是該專案的負責人。“但這些數字可能過於悲觀了。”許多其他天文學家已向執行該天文臺的馬里蘭州太空望遠鏡科學研究所提交了額外備用望遠鏡時間的請求。更多人提交了望遠鏡第二個預定科學觀測年（稱為週期 2）的提案，該週期於 7 月開始。
有些人擔心這個領域發展得太快了。雖然 JWST 的許多資料（約佔 80%）都有 12 個月的專有視窗期，在此期間，負責的研究人員可以獨家訪問他們自己的觀測結果，但其餘資料是開放獲取的。這意味著當進行觀測時，公眾可以立即訪問它們，並且任何人都可以使用它們。在阿拉巴爾·哈羅及其同事於 3 月下旬在預印本伺服器 arXiv.org 上發表他們對紅移 16.4 星系的分析之前，他們的開放獲取工作已經被 Twitter 上的天文學家搶先發布。“我只想做一個非常簡單的測試，”哥本哈根大學的加布裡埃爾·布拉默說，他釋出了一些早期結果。“該團隊進行了更詳細的分析。但如果你知道在哪裡看，你可以立即看到它。”
並非所有人都對如此輕鬆的訪問感到滿意。“你有一些博士後花了多年的時間致力於此並使這些觀測成為可能，”德克薩斯大學奧斯汀分校的麗貝卡·拉爾森說，她是阿拉巴爾·哈羅論文的合著者，也是 CEERS 團隊的成員。“然後我們的資料出來了，它是公開的，人們正在與我們爭奪結果。我們正在努力，也被要求為社群提供其他意見。然後其他人會進來發表論文。眼睜睜地看著這一切發生真是令人沮喪。”目前尚不清楚如何解決緊張局勢。“如果有一些更具體的規則就好了，”日本名古屋大學的湯姆·巴克斯說，他沒有參與這項研究。“想象一下，如果你有小孩，那麼根本不可能整晚都在校準資料。這裡存在一點權力失衡。這是一個非常開放的競爭。”
更積極的是，自 JWST 執行最初幾周的狂熱時期以來，情況似乎有所緩和。現在天文學家們正在做他們長期以來夢寐以求的事情——首次確定地瞥見一個從未研究過的宇宙時代。誰知道我們會看到多遠。“也許星系形成早在紅移 20 時就開始了，”範·多庫姆說，他指的是大爆炸後僅 1.8 億年的時間，這是一個在 JWST 之前幾乎無法想象的時代。然而，如果望遠鏡向我們展示了什麼，那就是期待意想不到的事情。
編者注（2023 年 4 月 14 日）：本文在釋出後進行了編輯，以更正巴勃羅·阿拉巴爾·哈羅的姓氏以及與鯊魚在地球上存在總時間的比較。