揭开宇宙最早星系的谜团

詹姆斯·韦伯望远镜：解密宇宙黎明时期的明亮星系之谜

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自从去年开始运营以来，詹姆斯·韦伯空间望远镜已经为我们提供了一个令人惊叹的窥视宇宙早期历史的机会，发现了一群可以追溯到神秘时代的星系，被称为宇宙黎明。

但是，宇宙早期存在看似庞大而成熟的星系的现实超出了预期 - 太大了，太早了。这让科学家们在寻找解释的同时质疑了宇宙起源和发展科学的基本原理，即宇宙学。一项新研究可能会在不废弃现有理论的前提下解决这个谜团。

研究人员使用先进的计算机模拟来模拟最早的星系是如何演化的。这些模拟显示，自大爆炸事件（发生在138亿年前，宇宙开始的时刻）之后的前几亿年里，星际形成在这些星系中以不同的方式展开，而不是像今天宇宙中的大星系（如我们的银河系）那样。

他们发现，早期星系中的星际形成是不规则的大爆发，而不是持续稳定的速度。这一点很重要，因为科学家通常根据星系的亮度来判断其大小 - 即其数以百万计或数十亿计的恒星的总质量。

因此，根据这项研究，这些星系可能相对较小，正如人们预期的那样，但由于明亮的星际形成爆发，它们可能会像真正庞大的星系一样发出耀眼的光芒，给人以巨大质量的虚假印象。

伊利诺伊州西北大学天文学博士后研究员和该研究的主要作者孙国超说：“天文学家可以确切地测量这些早期星系有多明亮，因为光子（光的粒子）可以被直接检测和计数，而要确定这些星系的真正大小或质量要困难得多。它们看起来很大，因为它们被观测到很亮。”

自2021年发射并于2022年投入运营以来，韦伯空间望远镜已经发现了宇宙黎明时期比大多数理论模型预测的明亮星系多约10倍的数量。

伊利诺伊州西北大学的天体物理学家克洛德-安德烈·福歇-吉吉尔（Claude-André Faucher-Giguère）表示：“根据宇宙学的标准模型，宇宙黎明时期不应该有太多庞大的星系，因为宇宙大爆炸后，宇宙充满了非常热、几乎均匀的等离子体 - 一个火球 - 没有恒星或星系。在我们的新论文中，我们使用我们的模拟量化地展示，星际形成爆发会产生明亮的光芒，可以解释韦伯望远镜观测到的非常明亮的星系。而这之所以如此重要，是因为我们可以在不改变标准宇宙学模型的情况下解释这些明亮的星系。”

该研究的模拟是作为相对论环境反馈（FIRE）研究项目的一部分进行的。

研究结果集中在一种被称为“星际形成爆发”的现象上。

与在几乎恒定的速度下形成恒星不同，这些早期星系的星际形成活动呈现出断断续续的特点，随着时间的推移有大幅波动。这种动态行为导致它们的亮度出现显著的变化，因为天文望远镜（如JWST）观测到的光来自这些星系中诞生的年轻恒星。

研究人员对为什么在较小的星系中会出现这种现象有了一种有力的理论。在这些小型宇宙领域中，可能会突然形成一批非常庞大的恒星，然后由于其巨大的尺寸在数百万年内变成超新星，从而结束了它们的生命。这些恒星爆炸将气体抛入空间，成为后续星际形成爆发的原材料。然而，较大星系中更强的引力效应阻止了这些爆发，更倾向于稳定的恒星形成。

孙国超预计，无论是否符合科学预期，韦伯空间望远镜将继续挑战我们对宇宙的理解，提供新的见解。“这正是科学的发展方式，”孙国超满怀期待地说，对未来的激动人心的发现充满了乐观。

Source : Reuters (Reporting Will Dunham)