教科書又得改了？韋布發(fā)現(xiàn)5個“本不該存在”的古老星系

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

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

這臺望遠(yuǎn)鏡之所以耗費(fèi)了幾十年的時間才建造好，其中一個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150萬千米的極寒太空。在那里，它將遠(yuǎn)離地球的熱輻射，從而探測到遙遠(yuǎn)宇宙中最微弱的紅外光。

伊沃·拉貝沒有料想到的是，其中一張圖片上的小紅點將會震撼我們對大爆炸后第一批星系形成的理解，經(jīng)過數(shù)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(yuǎn)鏡（Hubble Space Telescope）錯過的星系，即使經(jīng)過幾十年的巡天也沒被發(fā)現(xiàn)的星系。

他們兩人認(rèn)識已經(jīng)15年了。那時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，開始了他在加州洛杉磯當(dāng)研究員的第一份工作。當(dāng)時，韋布望遠(yuǎn)鏡還只是一個遙遠(yuǎn)的傳聞。

多年以后，兩人的人生軌跡再次交匯，現(xiàn)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，正在專攻最終成真的韋布望遠(yuǎn)鏡的第一批數(shù)據(jù)。

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

紅外觀測是韋布望遠(yuǎn)鏡的“超能力”，讓它能夠窺探距離我們最遙遠(yuǎn)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)射出的紫外線和可見光會在擴(kuò)張的宇宙中被拉伸，到達(dá)我們這里時，是以紅外線的形式存在的。

難以置信的早期大質(zhì)量星系

納爾遜的所有星系看起來都像飛碟，但有一個例外。拉貝盯著屏幕上的小紅點看，那不是UFO。他警覺地意識到：它非同尋常，也更加重要。

在小點上運(yùn)行分析軟件后，它輸出了兩個數(shù)字：距離131億光年，質(zhì)量1000億顆恒星，拉貝差點把剛喝進(jìn)嘴的咖啡噴出來。他們發(fā)現(xiàn)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(dá)我們，所以我們在看到這些星系時，宇宙只有7億歲，僅為其當(dāng)前的138億年齡的5%。如果這是真的，這個星系形成了與我們現(xiàn)在的銀河系所擁有的相同數(shù)量的恒星。這打破了時間記錄。

如果這是真的，一定不只有一個這樣的星系。一天之后，拉貝一共找到了6個。

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。圖片來源：NASA / ESA / CSA / I. Labbe

天文學(xué)的缺失環(huán)節(jié)？

我們是否已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了天文學(xué)的缺失環(huán)節(jié)？星系形成一直存在著一個長期的謎團(tuán)。當(dāng)我們在空間和時間上進(jìn)行觀察時，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(xiàn)的。

這些星系已經(jīng)停止了新恒星的孕育，我們稱之為“死亡星系”，一些天文學(xué)家對它們非常著迷。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，但哈勃一直以來沒能發(fā)現(xiàn)它們更早期的生長階段。

早期的死亡星系是真正奇怪的存在，它們裝滿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。就好比一個體重200斤的成年人，身高只有6厘米，這些小紅點也是同樣奇怪的存在，它們看起來像是同類型星系的迷你版本，擁有巨大的體重和迷你的身高。

恒星太多，太早

然而，這里有一個問題。這些小紅點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(yán)格的預(yù)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(zhuǎn)變?yōu)楹阈牵式?00%。而這是極其困難的，對科學(xué)領(lǐng)域來說是不可能的。這一新發(fā)現(xiàn)可能會改變我們對宇宙最早期星系形成方式的理解。

這6個星系及其周圍的太空。圖片來源：NASA / ESA / CSA / I. Labbe

結(jié)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%的快車道。

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

檢查指紋

解決這個謎團(tuán)的第一步，是通過光譜學(xué)來確認(rèn)距離，研究人員將每個星系的光線通過棱鏡分散成類似于彩虹的光學(xué)指紋。從而獲得以0.1%為精度的距離數(shù)據(jù)。

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。

恰好在大約一個月以前，韋布望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)瞄準(zhǔn)了6個候選大質(zhì)量星系的其中一個，結(jié)果證明它是一個遙遠(yuǎn)的幼年類星體。類星體（quasar）是一種現(xiàn)象，當(dāng)氣體落入一個星系中心的超大質(zhì)量黑洞時，會發(fā)出明亮的光芒。

這實際上非常令人興奮，因為我們還不理解星系中超大質(zhì)量黑洞的起源，找到幼年類星體可能是關(guān)鍵。另一方面，類星體可以比其整個主星系更亮，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個候選星系來說，是否都是如此？幼年類星體無處不在嗎？或許不是，但我們還需要一年的時間來調(diào)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