自詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST) 在 2021 年 12 月發射後向宇宙張開其巨大的紅外眼睛以來，它一直在發現大量可以追溯到非常早期宇宙的明亮星系。它們的亮度——代表其恆星數量和質量的指標——非常令人費解，因為星系不應該有足夠的時間在如此早期的宇宙時期變得如此龐大。想象一下，您訪問一個外國，發現那裡的許多幼兒體重與青少年一樣重。您也可能會有疑問：孩子們如此龐大是因為水中的某些物質，還是可能是您對人類生長的理解從根本上存在缺陷？思考 JWST 龐大、明亮的早期星系的天體物理學家也有相同的感受：我們對宇宙學的理解是否出了什麼根本性的問題？也就是說，我們對宇宙大爆炸後宇宙膨脹的知識是否完全錯誤？
答案似乎不必如此戲劇化。幾項針對這些早期星系的研究現在指向了對意外尺寸的天體物理學解釋——例如早期形成黑洞或恆星爆發——而不是一些物理學突破性的結果。“現在大多數人都會把錢押在天體物理學解釋上，”奧斯汀德克薩斯大學的宇宙學家邁克·博伊蘭-科爾欽說。“我也把自己歸為這一類。”
在 JWST 首次亮相之前，它的前輩哈勃太空望遠鏡保持著有史以來發現的最早星系的記錄。我們可以看到那個名為 GN-z11 的天體，它大約在 134 億年前，即大爆炸後約 4 億年。然而，一旦 JWST 將目光投向宇宙，它便多次打破了哈勃的記錄。科學家們現在正在研究可以追溯到大爆炸後至少 3.2 億年的星系。今年晚些時候，正在進行的 JWST 星系巡天的新資料釋出應該會將這一記錄推向更遠。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠持續報道關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事。
JWST 發現的最古老的星系比預期的更明亮、更活躍，其恆星形成率與今天銀河系每年形成一顆恆星的速率相當。但它們被擠壓到更緊湊的區域，大約是我們星系大小的千分之一。當 JWST 深入早期宇宙時，它還檢查了更近期的宇宙歷史，直至大爆炸後約 7.5 億年。在那裡發現的較老的星系仍然非常年輕和奇怪：它們大約是銀河系大小的三十分之一（比預期更大），並且恆星形成率必定是我們星系的 1000 倍。科學家們將這些相對較老的系統稱為超大質量星系，並一直在撓頭：目前的模型無法完全解釋這兩組星系。
在期刊《物理評論快報》中，約翰斯·霍普金斯大學的納什萬·薩布蒂和他的同事最近提出了對 JWST 超大質量星系的解釋。他們使用了哈勃的現有資料，檢查了與這些星系在同一宇宙時期（大爆炸後約 4.5 億至 7.5 億年）的數百個星系的紫外光。與主要在紅外波段進行觀測的 JWST 不同，哈勃對電磁頻譜的紫外端敏感，年輕的大質量恆星在那裡發出最明亮的光芒。哈勃的紫外觀測使研究人員能夠更好地衡量神秘的超大質量星系中的恆星形成率。“因此，我們得到了恆星形成率——恆星質量隨時間的變化——以及來自 JWST 的恆星質量本身，”薩布蒂說。
“我們表明，哈勃並沒有給你在宇宙學方面留下太多回旋餘地。這意味著[超大質量星系的]來源很可能是天體物理學。”
——納什萬·薩布蒂，約翰斯·霍普金斯大學
透過比較這兩部分資訊，薩布蒂和他的同事發現，這些星系可以在我們宇宙的宇宙學模型——Lambda 冷暗物質（Lambda-CDM）模型的範圍內得到解釋。它最能復現觀測到的星系和其他大型宇宙結構的模式和特性。不需要深奧的物理學。事實上，任何這樣的調整都會使哈勃的觀測結果與 JWST 相矛盾；這些星系的增長完全符合 Lambda-CDM 模型的預測。“我們表明，哈勃確實沒有給你在宇宙學方面留下太多回旋餘地，”薩布蒂說。“這意味著[超大質量星系的]來源很可能是天體物理學。”
博伊蘭-科爾欽表示，這篇論文在比較宇宙這一時期的哈勃和 JWST 資料方面提出了一個“很好的觀點”。然而，他目前尚未完全信服。“我不認為必須是天體物理學解釋的情況是完全確鑿的，”他說。“漏洞在於你並不一定用 JWST 和哈勃觀測到相同的星系。星系對於 JWST 來說可能是 [在紅外波段] 發光的，但對於哈勃來說是不可見的。如果最龐大的星系恰好處於 [紅外] 範圍內，那麼哈勃可能就看不到它們。”
然而，薩布蒂的論文並不是唯一指向 JWST 奇異星系的天體物理學解釋的最新研究。今年早些時候，在《天體物理學雜誌快報》中，約翰斯·霍普金斯大學和巴黎索邦大學的約瑟夫·西爾克和他的同事研究了 JWST 看到的最早的星系，它們比 GN-z11 更早出現。研究人員寫道，如果黑洞在星系之前形成，在大爆炸後的最初 5000 萬年內形成，那麼可能有一種方法可以在宇宙中更快地生長星系。這可以解釋為什麼早期宇宙中的恆星形成率如此之高：黑洞可能比預期更早地為星系提供能量，並將塵埃和氣體雲更快地壓縮成恆星。該機制涉及相當容易理解的天體物理過程，稱為反饋和外流。
西爾克說：“在 JWST 的觀測中，黑洞比我們預期的要多得多，而且它們所在的星系非常緊湊，”直徑僅約 300 光年，而銀河系的直徑為 100,000 光年。“這意味著反饋大大增強，”西爾克說。“我們的基本假設是，黑洞確實是在大多數恆星之前形成的，它們劇烈的外流然後產生了大量的恆星。隨著時間的推移，這種情況逐漸消失，並導致了我們 [今天] 擁有的更傳統的恆星形成。我們認為這只是早期發生的一種非常特殊的現象，可以解釋我們在 JWST 中看到的謎團。”
哈佛-史密森天體物理學中心的法比奧·帕庫奇和他的同事研究了黑洞可能在星系演化的後期所起的作用。在像我們現代宇宙中的銀河系這樣的星系中，恆星的質量超過了星系中心超大質量黑洞的質量——這是大型星系中普遍存在的特徵——比例為 1000 比 1。
帕庫奇使用 JWST 檢查了大爆炸後 7.5 億至 15 億年的星系，發現這個視窗中的一些星系可能有一個黑洞，其質量與它們的恆星質量相匹配——甚至可能超過它。這指向了早期宇宙中黑洞增長的模型，在該模型中，黑洞是從宇宙最初 1 億年中的塵埃和氣體雲的直接坍塌中增長起來的，而不是從恆星中增長起來的。該提議與西爾克及其同事的提議一致，因此可能支援對星系早期快速增長的天體物理學解釋。
如果這個想法是正確的，即將到來的引力波天文臺——例如雷射干涉儀空間天線 (LISA) 空間天文臺，該天文臺最近獲得了歐洲航天局的批准，計劃於 2035 年發射——可能會發現這些“重種子”黑洞。“如果這些重種子確實存在，那麼我們將在 LISA 中看到大量的合併，”帕庫奇說。“這有可能緩解質量過大的問題。”
也有一些方法可以在沒有黑洞的情況下解釋 JWST 的星系。西北大學的孫國超和他的同事提出，宇宙中的一些星系可能經歷過“爆發性”恆星形成時期。大量的超新星可能暫時導致了大約 1000 萬年或更長時間的反饋過程，從而將恆星形成率提高到“比更平靜的星系高 10 到 100 倍”，孫說。
這可能導致早期宇宙中一些星系的亮度“非常劇烈地跳躍”，從而導致更多可見的明亮星系的樣本出現偏差。“你不需要以非常高的效率形成恆星，”孫補充道。JWST 神秘的明亮早期星系可能僅僅代表了恆星形成劇烈波動的上限，而較暗、更平凡的星系可能數量更多，但到目前為止，尚未被看到。
天體物理學，目前而言，佔據主導地位。然而，風險很大。“宇宙學可能在這裡發揮作用的事實意味著，在排除它之前，真的值得繼續跟進，”博伊蘭-科爾欽說。黑洞和恆星形成是有希望的解釋，但科學家們將關注 JWST 的最新結果，以觀察哪些新模型（如果有的話）能夠站得住腳。