“看看這個(gè)?！币廖帧だ悾↖vo Labbé）收到了埃麗卡·納爾遜（Erica Nelson）發(fā)來(lái)的消息。埃麗卡·納爾遜正在研究詹姆斯·韋布空間望遠鏡（James Webb Space Telescope，JWST）發(fā)布的第一批圖片。

那還是2022年7月，距離這個(gè)革命性超級望遠鏡的第一批圖像發(fā)布僅一周的時(shí)間。韋布望遠鏡耗時(shí)25年才最終建成，比任何已有的望遠鏡都要強大100到1000倍。這是人類(lèi)歷史上最大、最雄心勃勃的科學(xué)實(shí)驗之一，你很難不用“超級”、“最強”這樣的詞來(lái)形容它，而這也絲毫沒(méi)有夸大。

這臺望遠鏡之所以耗費了幾十年的時(shí)間才建造好，其中一個(gè)原因是它必須可折疊，必須能夠被“塞進(jìn)”火箭頂部，被送入距離地球150萬(wàn)千米的極寒太空。在那里，它將遠離地球的熱輻射，從而探測到遙遠宇宙中最微弱的紅外光。

伊沃·拉貝沒(méi)有料想到的是，其中一張圖片上的小紅點(diǎn)將會(huì )震撼我們對大爆炸后第一批星系形成的理解，經(jīng)過(guò)數月的分析，他和同事于2023年2月底在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表了他們的研究成果（Labbé et al., 2023）。

尋找新型星系

納爾遜和拉貝正在尋找新型的星系。那些被卓越的哈勃空間望遠鏡（Hubble Space Telescope）錯過(guò)的星系，即使經(jīng)過(guò)幾十年的巡天也沒(méi)被發(fā)現的星系。

他們兩人認識已經(jīng)15年了。那時(shí)納爾遜還在美國加利福尼亞州的一所文理學(xué)院讀大一，而拉貝剛剛從大學(xué)獲得博士學(xué)位，開(kāi)始了他在加州洛杉磯當研究員的第一份工作。當時(shí)，韋布望遠鏡還只是一個(gè)遙遠的傳聞。

多年以后，兩人的人生軌跡再次交匯，現在是美國科羅拉多大學(xué)（University of Colorado）助理教授的納爾遜和澳大利亞斯威本科技大學(xué)（Swinburne University of Technology）副教授的拉貝，正在專(zhuān)攻最終成真的韋布望遠鏡的第一批數據。

納爾遜稱(chēng)這些新型星系為“UFO”，但這并非不明飛行物的縮寫(xiě)，而是“超紅扁平物”（Ultra-red Flattened Objects，arXiv:2208.01630），因為它們看起來(lái)很像飛碟。在彩色圖像中，它們看起來(lái)非常紅，因為所有光線(xiàn)都是紅外光，而在人類(lèi)可以看到的波長(cháng)下，這些星系是不可見(jiàn)的。

紅外觀(guān)測是韋布望遠鏡的“超能力”，讓它能夠窺探距離我們最遙遠的星系。對于宇宙大爆炸后形成的第一批恒星和星系，它們發(fā)射出的紫外線(xiàn)和可見(jiàn)光會(huì )在擴張的宇宙中被拉伸，到達我們這里時(shí)，是以紅外線(xiàn)的形式存在的。

難以置信的早期大質(zhì)量星系

納爾遜的所有星系看起來(lái)都像飛碟，但有一個(gè)例外。拉貝盯著(zhù)屏幕上的小紅點(diǎn)看，那不是UFO。他警覺(jué)地意識到：它非同尋常，也更加重要。

在小點(diǎn)上運行分析軟件后，它輸出了兩個(gè)數字：距離131億光年，質(zhì)量1000億顆恒星，拉貝差點(diǎn)把剛喝進(jìn)嘴的咖啡噴出來(lái)。他們發(fā)現了“不可能”：不可能如此早期也不可能如此大質(zhì)量的星系。

在這樣的距離上，光需要131億年才能到達我們，所以我們在看到這些星系時(shí)，宇宙只有7億歲，僅為其當前的138億年齡的5%。如果這是真的，這個(gè)星系形成了與我們現在的銀河系所擁有的相同數量的恒星。這打破了時(shí)間記錄。

如果這是真的，一定不只有一個(gè)這樣的星系。一天之后，拉貝一共找到了6個(gè)。

6張可能存在的大質(zhì)量星系圖片，拍攝自宇宙大爆炸后的5億至8億年。圖片來(lái)源：NASA / ESA / CSA / I. Labbe

天文學(xué)的缺失環(huán)節？

我們是否已經(jīng)發(fā)現了天文學(xué)的缺失環(huán)節？星系形成一直存在著(zhù)一個(gè)長(cháng)期的謎團。當我們在空間和時(shí)間上進(jìn)行觀(guān)察時(shí)，我們看到在宇宙大爆炸后約15億年左右，完全形成、成熟的星系“尸體”似乎是突然出現的。

這些星系已經(jīng)停止了新恒星的孕育，我們稱(chēng)之為“死亡星系”，一些天文學(xué)家對它們非常著(zhù)迷。這些死亡星系的恒星年齡表明，它們必定形成于宇宙更早期的階段，但哈勃一直以來(lái)沒(méi)能發(fā)現它們更早期的生長(cháng)階段。

早期的死亡星系是真正奇怪的存在，它們裝滿(mǎn)了如銀河系所擁有的一樣多的恒星，但體積又只有銀河系的三十分之一。就好比一個(gè)體重200斤的成年人，身高只有6厘米，這些小紅點(diǎn)也是同樣奇怪的存在，它們看起來(lái)像是同類(lèi)型星系的迷你版本，擁有巨大的體重和迷你的身高。

恒星太多，太早

然而，這里有一個(gè)問(wèn)題。這些小紅點(diǎn)擁有的恒星是在太多太早了。恒星最初由氫氣形成，而基本宇宙理論，也就是“大爆炸理論”（The Big Bang Theory），對形成恒星的可用氣體量做出了嚴格的預測。

要如此快地形成這些星系，幾乎須要將宇宙中的所有氣體轉變?yōu)楹阈?，效率近?00%。而這是極其困難的，對科學(xué)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)是不可能的。這一新發(fā)現可能會(huì )改變我們對宇宙最早期星系形成方式的理解。

這6個(gè)星系及其周?chē)奶?。圖片來(lái)源：NASA / ESA / CSA / I. Labbe

結論就是，存在一種不同的途徑，一種“快速通道”，可以非常迅速、非常高效地形成巨型星系。一條面向前1%的快車(chē)道。

從某種意義上說(shuō)，每一個(gè)候選星系都可以被認為是“黑天鵝”。哪怕能確認其中一個(gè)是真的，也會(huì )就此排除我們當前的“所有天鵝都是白色的”星系形成模型：在這個(gè)模型中，所有早期星系都緩慢而漸進(jìn)式地成長(cháng)。

檢查指紋

解決這個(gè)謎團的第一步，是通過(guò)光譜學(xué)來(lái)確認距離，研究人員將每個(gè)星系的光線(xiàn)通過(guò)棱鏡分散成類(lèi)似于彩虹的光學(xué)指紋。從而獲得以0.1%為精度的距離數據。

它還將告訴我們產(chǎn)生這些光的是什么，是恒星還是什么更特別的東西。

恰好在大約一個(gè)月以前，韋布望遠鏡已經(jīng)瞄準了6個(gè)候選大質(zhì)量星系的其中一個(gè)，結果證明它是一個(gè)遙遠的幼年類(lèi)星體。類(lèi)星體（quasar）是一種現象，當氣體落入一個(gè)星系中心的超大質(zhì)量黑洞時(shí)，會(huì )發(fā)出明亮的光芒。

這實(shí)際上非常令人興奮，因為我們還不理解星系中超大質(zhì)量黑洞的起源，找到幼年類(lèi)星體可能是關(guān)鍵。另一方面，類(lèi)星體可以比其整個(gè)主星系更亮，因此我們不可能判斷那里有多少顆恒星，以及星系質(zhì)量是否真的如此之大。

對于其他5個(gè)候選星系來(lái)說(shuō)，是否都是如此？幼年類(lèi)星體無(wú)處不在嗎？或許不是，但我們還需要一年的時(shí)間來(lái)調查剩余的星系，找出答案。

一只黑天鵝墜落了，還有五只。

參考來(lái)源：

[1] https://theconversation.com/we-just-discovered-the-impossible-how-giant-baby-galaxies-are-shaking-up-our-understanding-of-the-early-universe-200343

[2] https://www.nature.com/articles/s41586-023-05786-2

[3] https://arxiv.org/abs/2208.01630

歡迎掃碼關(guān)注深i科普！

我們將定期推出

公益、免費、優(yōu)惠的科普活動(dòng)和科普好物！