韋伯望遠鏡發現 6 個 “違規” 古星系，現有理論無法解釋

我們的宇宙始於大約138億年前的大爆炸。 在那之後,原子、分子和恆星等結構才逐漸形成。 然而,宇宙中的第一代恆星和星系是如何以及何時形成的, 一直是一個難以回答的問題。 於2021年聖誕節發射的微波空間望遠鏡的主要任務之一就是爲了揭開這一迷霧。 微波望遠鏡配備了極高靈敏度的紅外感應儀器, 它的高分辨率讓它有能力觀測對哈勃空間望遠鏡來說太過古老、遙遠或微弱的天體。 自大爆炸後,宇宙便不斷地在膨脹, 因此第一代恆星和星系釋放出的紫外線和可見光在向我們傳播的過程中也會被宇宙的膨脹拉長, 所以當這些光抵達我們時,我們看到的便是紅外光。 在過去的一年中,微波望遠鏡的紅外視野已經爲我們帶來一幅幅全新的宇宙圖像, 並且已經發現一些存在於大爆炸後約2到4億年的古老星系。 在一項最新的研究中,微波望遠鏡更是顛覆了我們對星系的理解。 一組國際團隊在早期宇宙中發現了6個古老的星系, 令人驚訝的是,它們的質量比任何人預想的都要大得多。 在發表於《自然》的論文中,研究人員介紹了這6個本不該存在的古老星系。 假如結果是正確的,就意味着要麼宇宙學模型需要被修正, 要麼就需要改變對早期宇宙中星系形成的科學理解。 研究團隊利用微波發佈的第一個數據集, 對靠近北斗七星的一片天區進行了調查。 這是哈勃在20世紀90年代首次觀測到的一片相對無聊的區域。 在研究一片大概只有郵票大小的區域時, 團隊發現了一些奇怪的模糊光點, 它們看起來異常紅,異常明亮。 在天文學中,紅光可以理解成古老的光, 相比之下,距離地球越近的光就越藍。 研究人員對這些光進行了計算和建模, 他們發現,每一個候選星系都存在於宇宙黎明時期, 也就是大約在大爆炸後的5到7億年。 這些星系所包含的恆星質量是太陽的100億倍, 其中一個更是高達1000億倍。 在標準宇宙學模型中,宇宙中的物質是慢慢聚集在一起, 從小的結構逐漸融合成更大的結構。 我們的銀河系正是經歷130幾億年時間的發展, 才演變成今天樣子。 但這些既龐大又明亮的星系, 所包含的恆星卻幾乎和現代銀河系一樣多, 這簡直令人難以置信。 研究人員將它們稱之爲宇宙破壞者, 因爲在早期宇宙中, 根本沒有足夠的時間可以製造出跟銀河系一樣多的恆星。 這樣驚人的數據讓研究人員自然冒出的第一個想法是, 它們一定犯了個錯,而它們找出這個錯誤就可以了。 但最終,儘管進行了許多嘗試, 它們沒有找到這個假想的錯誤。 一種可能的解釋是, 宇宙中存在着某種未知的方式可以快速地形成這些怪物。 星系,但需要注意的是, 目前只是初步觀測的結果, 所以我們並不能排除其他可能性, 比如它們實際上並不是星系而是其他天體。 爲了確切地知道這些遙遠的物體究竟是什麼, 天文學家需要使用光譜學來確認它們的真實距離和質量。 此外,光譜學也能告訴我們, 是什麼產生了光,是恆星還是其他更奇特的東西。 比如看起來像是恆星發出的光, 實際上是由星系中心的超、 大質量黑洞吞噬的氣體和塵埃發出的光。 幸運的話,在不到一年時間內, 微博就能爲我們揭曉謎題的最終答案。 在這片浩瀚的宇宙中, 詹姆斯微博太空望遠鏡捕捉到一幕令人震撼的天文現象, 他發現了迄今爲已知的最古老的死亡星系。 這個星系的發現不僅挑戰了我們對早期宇宙的理解, 而且還揭示了宇宙學的新奧祕。 在宇宙年輕時,僅有七億年大的時候, 這個星系名爲GES,它的恆星形成活動突然停止。 這一現象與宇宙其他地方形成恆星的繁忙景象形成了鮮明對比。 在那裏,由於有大量的原始氣體和塵埃, 恆星的誕生如同煙火般絢爛。 自然,雜誌發表的一篇論文中詳細描述了這個星系, 爲我們提供了一個獨特的視角, 去探索原始宇宙中星系的演化之謎。 文章探討了星系停止形成新恆星的可能原因, 以及推動它們恆星爆發的力量是否會隨着時間的推移而變化。 星系的生命需要豐富的氣體來孕育新的恆星, 而早期宇宙充滿了這樣的資源,彷彿是一個無盡的供應源。 然而,當前的宇宙模型無法完全解釋GES星系的現象, 它不僅在宇宙形成後不久就誕生, 而且在不到11年的時間裏迅速終結了其恆星工廠的運作。 我們通常只在宇宙的晚期階段看到星系停止形成恆星, 與此同時,研究人員發現, 在宇宙大約30億年大的時期, 其他一些,死亡星系似乎也停止了新恆星的形成。 在早期宇宙中,一切都發生得更快,更加戲劇性。 這包括星系從繁盛的恆星形成階段轉變爲休眠或熄滅的過程。 爲了揭開GES的神祕面紗, 盧瑟和他的團隊利用了JWST強大的紅白視覺, 穿透了厚厚的塵埃帷幕,觀察到了宇宙中最早的物體。 這個新發現的星系不僅是已知最古老的死亡星系, 而且其質量也遠近於早期宇宙中發現的其他類似靜止星系。 JWST的數據顯示, 這個星系在停止恆星形成之前曾經歷了一段 大約三千萬到九千萬年的強烈恆星形成期, 但究竟是什麼導致了它的死亡仍然是一個謎? 天文學家已經知道, 有多種因素可能導致恆星形成的減緩或停止。 例如,星系內部的湍流, 或是由超大質量黑洞發出的輻射, 都有可能將氣體推出星系, 使其失去形成新恆星所需的氣體儲備。 另一個可能性是, 星系周圍的環境未能補充足夠的氣體, 以致使恆星的持續誕生, 導致了恆星形成材料的枯竭。 我們還不確定這些情景中的任何一個 是否可以解釋我們通過微薄望遠鏡所觀察到的現象, 這意味着基於現代宇宙的當前模型可能需要重新審視。 新星系休眠的另一個可能性是, 早期宇宙中的星系經歷了一次死亡後又重新復活。 德尤金尼奧提出了這樣的假設, 然而,對於宇宙大約30億年大時期, 也是恆星誕生最爲頻繁的時期的死亡星系的研究表明, 即使是通過與附近星系的合併, 這些星系也無法恢復活力, 反而只會導致它們進一步膨脹。 我們需要更多的觀察來幫助我們弄清楚這一切。 現在,大家已經基本接受了這樣的觀念, 宇宙並不是從來都是這個樣子的, 而是一直在演化, 其中的天體也不是與生俱來的, 而是經歷了從無到有,從少到多的過程。 那麼,現在宇宙中那些我們熟知的發光天體, 恆星,星系,黑洞等等, 它們最早是怎麼來的呢? 我們的銀河系非常古老, 其中最老的恆星有一百多億歲, 宇宙中最早的發光天體必然形成於更早的時期, 那時的宇宙還是一個小孩。 現在宇宙中的恆星基本都在星系裏, 雖然星系之外也有一些流浪的恆星, 但是它們原本也是在星系之內的, 只不過在發生星系互相碰撞的時候, 被撞得拋了出來。 但第一代恆星並非如此, 它們不是在星系裏形成的。 或者說,那些宇宙中最早的一批恆星, 當它們形成的時候,星系還沒有形成。 第一代恆星形成的時候,宇宙還非常年輕, 暗物質在密度高的地方結團, 形成暗物質運,氣體也隨之聚集在一起。 這時候,這些氣體的元素只有氫, 氦和少量的鋰,其他的元素還沒有形成, 可供氣體冷卻的途徑相對較少, 主要通過氫分子冷卻。 氫分子的冷卻效率不算高, 不能把氣體冷卻到很低的溫度, 在收縮的過程中氣體也不容易碎裂。 最終的結果是一個暗物質運內 只能形成一個或者若干個恆星。 顯然,這樣的恆星集團被稱爲星系是不合適的, 作爲比較,大家可以參考我們所居住的銀河系, 銀河系裏有着約一千億顆恆星。 雖然形成的第一代恆星數量較少, 但是就單個恆星而言, 質量卻比我們銀河系裏最常見的恆星要大得多, 可以達到太陽的幾十倍甚至幾百倍, 也有人認爲可以達到上千倍。 第一代恆星的表面溫度也更高, 能到十萬開以上, 太陽的表面溫度只有約六千開, 因此發出的光也更硬, 同時,它們的大氣中也不含金屬譜線。 當然,它們壽命也比較短, 只有幾百萬年。 以上這些獨有的特徵, 使得第一代恆星在觀測中很容易被區分出來。 遺憾的是第一代恆星形成在宇宙很早的時候, 大致在宇宙年齡爲幾千萬年到幾億年之間, 因此它們離我們十分遙遠且十分暗淡。 例如,一顆100倍太陽質量的第一代恆星, 如果形成在宇宙年齡爲三億年的時候, 它現在離我們約三百多億光年, 這個數比宇宙年齡乘以光速大, 這是宇宙膨脹造成的效應。 此時它的亮度只有約四十等, 比哈勃望遠鏡能夠看到的最暗的星星還要暗一萬倍, 很顯然沒法被現在的望遠鏡觀測到。 不過,第一代恆星爆發產生的超新星會非常亮, 有可能被下一代的望遠鏡捕捉到。 即將發射的,作爲哈勃望遠鏡的繼承者的詹姆斯, 其科學目標之一就是捕捉來自第一代恆星的超新星爆發。 瞭解第一代恆星還有另外一種途徑, 就是在我們的銀河系內尋找古老的極端貧金屬星。 相對於第一代恆星而言, 這些極端貧金屬星是一些小不點, 但是壽命非常長, 可以一直存活到現在。 它們本身不是第一代恆星, 但是它們大氣裏的金屬可能來自於第一代恆星, 它們好比化石一樣, 記錄了早期宇宙的信息。 第一代恆星形成之後, 會產生一些對後續新恆星的形成不利的因素, 這稱爲反饋效應。 比如它們產生的輻射可以破壞掉能冷卻氣體的氫分子, 電離和加熱附近的氣體, 它們的超新星爆發可以把氣體吹到暗物質運的外面。 這些都不利於後來的恆星繼續形成, 因此初期的第一代恆星形成模式幾乎是一錘子買賣。 當一顆或者一體第一代恆星形成之後, 除非在它們死亡之後再經歷足夠長的時間, 否則在同一個或者附近的暗物質運裏, 很難再有新的恆星形成。 我們一般認爲第一代恆星的形成是Self-Limiting模式, 即在有限的體積內, 第一代恆星的數量會有一個上限。 當然,這個上限到底是多少, 我們目前還不清楚,只能期待未來的觀測能夠回答。 在宇宙演化中,第一代恆星起到了一個很重要的作用, 就是它的超新星爆發提供了最早的金屬元素, 還有金屬的氣體能夠更有效地冷卻, 從而形成下一代的恆星。 隨着宇宙繼續演化, 當暗物質運的質量再大一些的時候, 一種新的、效率更高的冷卻機制開始發揮作用, 同時暗物質運內的氣體也更多, 於是恆星就可以批量形成了。 更重要的是,由於暗物質運更大, 引力失緊更深, 反饋效應並不能完全抑制住恆星的形成, 而是努力尋求跟恆星形成的過程達成平衡的狀態。 這樣,在暗物質運裏面, 恆星的形成不再是一錘子買賣, 而是一個持續的過程。 這是第一代星系形成的一個標誌, 恆星持續形成的結果就是, 星系裏面的恆星既有年輕的,也有年老的, 如同我們的銀河系那樣, 最老的恆星有100多億歲, 而最年輕的纔剛剛形成。 人們現在已經觀測到了許許多多不同種類的黑洞, 比如銀河系裏有很多恆星級黑洞, 某些矮星系中心可能存在中等質量的黑洞, 以及活動星系和中心的超大質量黑洞等等。 那麼,宇宙中的第一代黑洞是什麼呢? 一般來說,黑洞的形成需要恆星的形成作爲前置條件。 這裏不考慮爆炸產生的原初黑洞, 恆星耗盡燃料之後, 其中心部分缺少壓強支撐, 在引力作用下坍縮成黑洞, 這是人們最熟悉的黑洞形成途徑。 因此第一代恆星死亡之後形成的黑洞自然就是第一代黑洞。 這些黑洞的質量跟恆星差不多, 它們像種子一樣, 一旦遇到合適的條件及充足的氣體供應就會長大, 最終從幾十倍太陽質量的恆星級黑洞成長爲 十億甚至百億倍太陽質量的超大質量黑洞。 當然,這個過程可能會十分漫長,並且可能被打斷。 詳細的研究表明, 恆星級黑洞很難順利成長爲超大質量黑洞, 因此,人們並不確定超大質量黑洞的種子是否來自於第一代恆星。 除了上面說的這種途徑之外, 還有另外一種途徑也可以形成第一代黑洞。 在一個從來沒有經歷過恆星形成且質量比較大的暗物質運裏, 如果它的氫分子被外界的輻射破壞掉了, 氣體將始終維持較高的溫度且無法碎裂。 這種情況下,氣體的中心部分可以直接坍縮成一個黑洞, 或者中心部分先形成一個超大質量恆星,之後再坍縮成黑洞。 第二種途徑形成的黑洞被統稱爲直接坍縮黑洞。 它們的質量在剛誕生的時候就可以達到一萬倍到一百萬倍的太陽質量, 屬於我們常說的中等質量黑洞。 如果把這些直接坍縮黑洞作爲種子, 再成長爲超大質量黑洞就容易得多。 直接坍縮黑洞雖然解決了超大質量黑洞的增長問題, 但它本身的形成條件卻十分苛刻。 首先,需要暗物質運的質量比較大但又不能太大, 另外,還要求它裏面的氣體始終保持純潔, 及不受外界的金屬污染和電離輻射的影響, 但同時又能有足夠強的其他輻射來破壞掉氫分子。 這就要求在它的附近, 有一個既不能太近又不能太遠的恆星或者星系, 宇宙中有多少暗物質運能滿足以上所述條件, 這是有疑問的,因此直接坍縮黑洞的數量也難以估計。 這兩種第一代黑洞形成的途徑, 到底哪一個給超大質量黑洞提供了種子, 只能留待將來的觀測來回答。 直到現在,並沒有任何直接坍縮黑洞被觀測到, 可能是因爲它們氣息少又暗淡。 直接坍縮黑洞的光譜與普通的星系及類星體相比, 是有一些差異的, 因此可以通過測光觀測進行初步的候選體篩選, 然後再進行細緻的光譜觀測來甄別。 目前,利用哈勃望遠鏡和錢德拉望遠鏡, 科學家們已經挑選了一些可能是直接坍縮黑洞的天體, 作爲候選體留給以後更強大的望遠鏡做進一步觀測。 當然也有一些曾經大家以爲是直接坍縮黑洞的候選體, 經過進一步觀測之後被排除掉了。 未來,JWST望遠鏡有可能將篩選 直接坍縮黑洞的候選體作爲科學目標之一。