2023年2月，《自然》雜志公布了韋布望遠(yuǎn)鏡的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)，那就是它發(fā)現(xiàn)了一些高紅移的本不應(yīng)該存在的星系，這些星系的恒星質(zhì)量如此之大，足以顛覆我們現(xiàn)有的宇宙認(rèn)知。為什么早期存在的大質(zhì)量恒星能夠重塑我們的宇宙觀？

(資料圖)

要說(shuō)這些星系，還需要先從我們的宇宙認(rèn)知談起。大爆炸宇宙模型認(rèn)為，宇宙是由一個(gè)致密熾熱的奇點(diǎn)于138億年前一次大爆炸后膨脹形成的。它的提出其實(shí)是基于一系列的觀測(cè)證據(jù)。在上個(gè)世紀(jì)1924年的時(shí)候，美國(guó)天文學(xué)家哈勃首先發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)的仙女座大星云距離我們地球的距離，要比我們所知道的銀河系的尺度還要大，所以就提出來(lái)仙女座大星云其實(shí)是一個(gè)星系，位于銀河系之外。而在之后，哈勃繼續(xù)發(fā)現(xiàn)了更多的河外星系。他不僅僅是發(fā)現(xiàn)了更多的河外星系，而且還發(fā)現(xiàn)一個(gè)令人驚奇的現(xiàn)象，也就是星系如果距離我們銀河系越遠(yuǎn)，遠(yuǎn)離我們銀河系的速度也就越快，這就是我們現(xiàn)在所知道的哈勃勒梅特定律。

基于這樣的觀測(cè)基礎(chǔ)，1946年美國(guó)物理學(xué)家伽莫夫正式提出大爆炸宇宙模型。爆炸之初，物質(zhì)只能以中子、質(zhì)子、電子、光子和中微子等基本粒子形態(tài)存在。宇宙爆炸之后的不斷膨脹，導(dǎo)致溫度和密度很快下降。隨著溫度降低、冷卻，逐步形成原子、分子，并復(fù)合成為通常的氣體。氣體逐漸凝聚成星云，星云進(jìn)一步形成各種各樣的恒星和星系，最終形成如今所看到的宇宙。

1964年，美國(guó)貝爾電話公司的彭齊亞斯和威爾遜，在調(diào)試巨大的喇叭形天線時(shí)，出乎意料地接收到一種無(wú)線電干擾噪聲，各個(gè)方向上信號(hào)的強(qiáng)度都一樣，而且歷時(shí)數(shù)月而無(wú)變化。經(jīng)過(guò)努力，后來(lái)他們知道了這就是我們宇宙大爆炸遺留到現(xiàn)在的遺跡。

在上個(gè)世紀(jì)70年代的時(shí)候，美國(guó)的天文學(xué)家薇拉魯賓通過(guò)觀察臨近星系中恒星的運(yùn)動(dòng)，最后提出了暗物質(zhì)的存在。在二十多年后，美國(guó)和澳大利亞的科學(xué)家們有發(fā)現(xiàn)我們現(xiàn)在的宇宙沒有在減速，反而在加速膨脹，基于這樣的觀測(cè)事實(shí)，他們又進(jìn)一步提出暗能量在我們宇宙中的存在。因?yàn)橛邪的芰?，宇宙?0億年前開始加速膨脹。這就是我們目前所了解的宇宙學(xué)的基本常識(shí)。

太陽(yáng)系，配圖來(lái)自圖蟲網(wǎng)

所以我們的宇宙組成，按照我們的理解，應(yīng)該是包括了正常物質(zhì)，暗物質(zhì)和暗能量三種。那我們的宇宙中的恒星和星系，按照我們的理解，也是經(jīng)歷了一個(gè)從無(wú)到有的過(guò)程。因?yàn)樵谟钪嬖缙诘囊欢螘r(shí)間，溫度非常高，所以沒有恒星和星系，只有到了后期的時(shí)候，隨著宇宙的膨脹，氣體溫度慢慢變低，現(xiàn)在的宇宙模型就認(rèn)為恒星和星系形成，不過(guò)星系在開始的時(shí)候比較小，因?yàn)樾窍抵g的碰撞，星系就隨著時(shí)間變大。所以我們可以看到，它也經(jīng)歷了一個(gè)從小到大的過(guò)程，這就是我們現(xiàn)在所認(rèn)為的宇宙模型。一直認(rèn)識(shí)宇宙的早期是我們的一個(gè)目標(biāo)。所以在2021年的時(shí)候就發(fā)射了能夠看到宇宙早期的韋布望遠(yuǎn)鏡。

而韋布望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在宇宙的年齡只有如今3%的時(shí)候，按我們的預(yù)期，星系的質(zhì)量當(dāng)時(shí)應(yīng)該是非常小的，然而所發(fā)現(xiàn)星系中的恒星質(zhì)量是太陽(yáng)的100億倍，甚至一個(gè)星系中的恒星質(zhì)量可能是太陽(yáng)的1000億倍，接近銀河系的質(zhì)量了?？茖W(xué)家們總共發(fā)現(xiàn)了6個(gè)類似星系，它們可能會(huì)改變?nèi)祟悓?duì)宇宙中星系起源的認(rèn)識(shí)。科學(xué)家們將這些星系稱為“宇宙規(guī)則的破壞者”，它們與99%的現(xiàn)有宇宙模型存在矛盾。他們推測(cè)，有些可能是超大質(zhì)量黑洞，但同時(shí)發(fā)現(xiàn)6個(gè)黑洞似乎不太可能，其中一些很可能是真的星系。

新研究中檢測(cè)到的恒星質(zhì)量比科學(xué)家之前認(rèn)為的要大100倍。按照科學(xué)的說(shuō)法，這樣的星系本不應(yīng)該在宇宙誕生后這么短的時(shí)間內(nèi)就變得這么大。我們本以為在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上只會(huì)發(fā)現(xiàn)微小、年輕的嬰兒星系，但卻在以前被認(rèn)為是宇宙黎明的時(shí)分，發(fā)現(xiàn)了和我們銀河系一樣成熟的星系。當(dāng)然還需要之后更多的觀測(cè)驗(yàn)證這次的觀測(cè)結(jié)果。

如果這些星系能被進(jìn)一步證實(shí)，就意味著人類對(duì)早期宇宙演變歷史的認(rèn)識(shí)可能是錯(cuò)誤的，星系演變比人類認(rèn)識(shí)到的要快得多。這就需要改變既往宇宙模型，或者改變?nèi)祟悓?duì)星系起源的理解。

本文為科普中國(guó)·星空計(jì)劃扶持作品

作者：茍利軍（中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授）

審核：韓文標(biāo)（中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員）

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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