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NO2428-世界起源的另一種可能

(相關(guān)資料圖)

作者：忘年

制圖：魔鬼魚 / 校稿：朝乾 / 編輯：魔鬼魚

近日，《自然》雜志發(fā)表了一項最新研究。天文學家從詹姆斯·韋布空間望遠鏡傳回的圖像中，發(fā)現(xiàn)了六顆奇怪的紅色星系，其質(zhì)量與銀河系相當。

這些星系可能擁有數(shù)百億甚至數(shù)千億倍太陽質(zhì)量的恒星

（圖：NASA）▼

但詭異之處在于，紅移測量表明，它們的光竟然來自130多億年前！而宇宙誕生至今也不過約138億年。

那時宇宙中第一批恒星才剛剛形成，大如銀河系的星系根本不可能出現(xiàn)在那個地方。此項結(jié)果若被證實，意味著現(xiàn)有的宇宙學和星系形成理論將面臨挑戰(zhàn)。

韋布望遠鏡的觀測上限超過哈勃望遠鏡很多

（參考：Quantamagazine）▼

在130億年前的宇宙中憑空出現(xiàn)的星系“巨獸”到底是什么？為什么它們的發(fā)現(xiàn)會引起如此激烈的關(guān)注？我們首先根據(jù)現(xiàn)有的理論，來看看星系是如何形成的。

如同達爾文的進化論認為生命不是被先天創(chuàng)造，而是由簡單到復雜慢慢演化而來一樣?，F(xiàn)代宇宙學認為，所有的星系與恒星也不是亙古如此，而是在138億年前“宇宙大爆炸”之后漫長時間里的產(chǎn)物。

回到138億年前，星系與恒星尚未形成，宇宙處于數(shù)億年的“黑暗時代”中。那時，除掉暗能量和背景輻射，宇宙的物質(zhì)部分主要有大爆炸后產(chǎn)生的氫與氦組成的氣體，約占15%；以及暗物質(zhì)，約占85%。

大爆炸之后，宇宙中的大部分重子物質(zhì)冷卻形成中性氫

這個過程光子被釋放，成為今天的宇宙微波背景輻射

宇宙進入黑暗時代（圖：wiki）▼

占主導地位的暗物質(zhì)受引力相互作用逐漸聚集，形成一個個“暗物質(zhì)暈”。而氣體則落入暗物質(zhì)暈的引力勢阱中，并通過電磁輻射進一步冷卻、凝聚。

大爆炸后約4億年，第一代恒星開始從氣體中形成，恒星和創(chuàng)造恒星的氣體凝結(jié)在暗物質(zhì)暈中心，形成星系的種子。這時的場景很像一個胚胎，暗物質(zhì)暈像包裹和保護星系的“蛋白”，而星系就是其中的“蛋黃”。

暗物質(zhì)不會吸收、反射或發(fā)出光

人們目前只能透過引力產(chǎn)生的效應間接觀測到它的存在

（圖：wiki）▼

之后，星系可以通過兩種方式不斷成長。一種是平緩地收集周圍宇宙環(huán)境中的氣體，逐漸生成新的恒星而變大。

另一種則較為暴力，由于引力的互相吸引，稍大一些的星系可能直接吞并附近稍小的星系使自己長大。也有可能兩個差不多大的星系撞到一起，經(jīng)過劇烈的融合成為一個全新形態(tài)的星系。

兩個星系恰好迎頭相撞，形成了一個罕見的輪狀星系

（右邊這個大家伙）（圖：NASA）▼

聽起來是不是很耳熟？每一個星系自幼就是宇宙級“貪吃蛇”玩家。我們的銀河系也是這樣，從130多億年前幼小的星系種子，經(jīng)歷千難萬險，不斷打怪升級，幸存至今，最終成為一個包含上千億顆恒星的龐大系統(tǒng)。

并且，銀河系仍儲存著大量的氣體，正在不斷制造新的恒星。而在銀河系周圍，還吸引了十幾個大塊頭的衛(wèi)星星系環(huán)繞運行，等待成為未來的食物。

銀河系衛(wèi)星星系中，比較著名的就是大麥哲倫星系（LMC）

和小麥哲倫星系（SMC）（圖：wiki）▼

但是也不能高興得太早。據(jù)觀測顯示，銀河系正在和離我們最近的仙女座大星系互相靠近，預計將于40億年后發(fā)生碰撞。由于二者體量相近，最終會合并成一個巨大的橢圓星系。

幸而星系的碰撞并不是像剛體碰撞那樣的“硬碰硬”，由于恒星之間存在巨大的空隙，我們的太陽系并不會因此遭受致命的災難。相反，那時的人類，將有望看到有史以來最壯觀的夜空。

模擬照片展示了銀河系和仙女座兩大星系交融的過程

（圖：NASA）▼

20世紀20年代，著名天文學家埃德溫·哈勃通過大量的觀測，根據(jù)形態(tài)對星系進行了分類和研究。哈勃將星系分為漩渦星系、橢圓星系和不規(guī)則星系三大類，再進一步根據(jù)橢率或旋臂狀態(tài)分為不同的次型。

哈勃這套分類法被稱為哈勃序列，也叫哈勃音叉分類法

（圖：wiki）▼

星系豐富多樣的形態(tài)和顏色來源于它們各自獨特的成長及并合歷史。比如，年輕的星系顏色較藍，表明它們?nèi)园罅康睦錃怏w，正在生產(chǎn)恒星，新生的恒星群會發(fā)出更多藍色的輻射。

而在年老的星系中，氣體匱乏，新的恒星不再形成，只剩下老舊的恒星，輻射偏紅。

顏色越藍的星壽命越短

長壽的基本都是紅矮星、褐矮星

（參考：wiki）▼

如果星系在形成時，處于不均勻的宇宙環(huán)境中，物質(zhì)更多地沿著某個特定的方向被吸入，則可能帶來角動量，形成漩渦星系。

而居于超大星系團C位的中央星系，則往往是巨橢圓星系，它在漫長的歷史中，通過胡亂吞并大量衛(wèi)星星系而形成。

至于大星系周圍將被捕食的矮星系，它們受到宿主星系的強烈影響，會被扭曲甚至撕裂出長長的潮汐尾。

蝌蚪星系被撕扯出的潮汐尾

（圖：wiki）▼

當一個星系吞并另一個星系時，新物質(zhì)的進入有可能為星系的生長提供大量的氣體燃料，引發(fā)劇烈的恒星形成，這就是星暴星系。但這種情況也有可能適得其反，導致消化不良，反而猝滅自身的恒星形成活動。

星暴星系，伴隨著誕生與湮滅的極致暴力美學

（圖：wiki）▼

憑借飛速發(fā)展的計算機數(shù)值模擬技術(shù)，近年來，天文學家已經(jīng)能在計算機上再現(xiàn)從宇宙大爆炸之后極早期直到今天，長達130億年的時間里，宇宙結(jié)構(gòu)形成及星系演化的歷史，并利用不斷細化的模型還原星系內(nèi)部復雜的物理過程。

目前最新的高精度宇宙學數(shù)值模擬IllustrisTNG50

一個星系跌宕起伏的演化歷史，經(jīng)歷吸積、并合、撕裂、重組，最終從一個漩渦星系轉(zhuǎn)型為橢圓星系

（來源：tng-project.org）▼

隨著望遠鏡技術(shù)的不斷進步，天文學家也嘗試通過觀測真實宇宙中的星系樣本，驗證和優(yōu)化關(guān)于星系形成與演化的理論模型。

我們知道，由于光速的有限性，在天文觀測中看得越遠，就能看到越久以前的時間。在星系尺度上，人類的視野已經(jīng)拓展到百億光年之外，回溯的時間正在接近整個宇宙的年齡。

2012年，哈勃空間望遠鏡積累十年的觀測結(jié)果，拍攝了一張“哈勃極深場”（Hubble eXtreme Deep Field, HXDF）。

這張照片，蘊藏了科學家們不少的重大發(fā)現(xiàn)

（圖：NASA）▼

這張照片中包含了5500個遙遠的星系，其中最暗的星系亮度是人類肉眼可見極限的100億分之一，而最遠的星系距離也已經(jīng)超過了100億光年，那時仍是宇宙的幼年。

天文學家發(fā)現(xiàn)，遠處的星系和近處相比，其性質(zhì)已經(jīng)出現(xiàn)了系統(tǒng)性的差別。

我們的天球視野已經(jīng)接近了視界的邊緣

有機會看到更為混沌、原始的宇宙面貌

（圖：wiki）▼

比如，遠處的星系更加密集，星系間碰撞并合的景象更加頻繁。這是因為在100億年前，宇宙還沒有膨脹得像今天那么大，宇宙空間顯得更加擁擠。

通過這樣的遠近星系樣本的對比，我們實際上已經(jīng)看到了凝固在時間長河中、真實宇宙里的星系如何演化至今的過程。這是一條真正意義上的時空隧道。

上百億年是韋布的極限，但或許不是宇宙的極限

（參考：BBC）▼

哈勃望遠鏡能讓我們一直看到星系形成的起點嗎？很遺憾，因為宇宙越早期，星系離我們越遠，質(zhì)量也越小，因此迅速變暗。

此外，由于宇宙膨脹，遠處星系發(fā)出的光在傳到地球的過程中波長會被拉長，導致越遠的星系看起來越紅，直到成為紅外線。

這一現(xiàn)象，被稱為紅移，在韋布望遠鏡超深場照片中

框中的Glass-13星系紅移數(shù)值z甚至達到了13

（圖：NASA/CSA/ESA/STScl）▼

而哈勃望遠鏡主要工作在光學波段。為了繼續(xù)延長這條通向宇宙深處的時空隧道，我們需要一臺能夠看到紅外波段、并且性能更強的望遠鏡。

繼承這一重任的，是2021年剛剛發(fā)射升空的詹姆斯·韋布望遠鏡。為了看到宇宙更早期、紅移更高的星系，韋布被設(shè)計為在紅外望遠鏡，因而外形結(jié)構(gòu)與哈勃有很大的不同，并且口徑達到了6.5米，是哈勃的近3倍。

不同望遠鏡覆蓋的電磁波譜段落不同

也因此韋布望遠鏡在天文觀測上比哈勃有很大的優(yōu)勢

（參考：BBC）▼

憑借其優(yōu)異的性能，我們期待韋布望遠鏡能夠帶領(lǐng)我們看到130多億年前，宇宙中的星系和第一代恒星剛剛形成的時期，以進一步驗證現(xiàn)有的物理模型。

本文開頭提到的最新發(fā)現(xiàn)便來自去年7月韋布傳回的首批數(shù)據(jù)。其實，在此次發(fā)現(xiàn)的6顆離奇星系中，有的曾被哈勃望遠鏡在部分波段拍到過，但它們在哈勃的圖像中模糊不清，沒有引起注意。

在哈勃的各個光學波段中，6顆星系并未出現(xiàn)或非常暗弱

（右側(cè)為韋布望遠鏡所拍）▼

按照目前的星系形成理論，在130億年前，星系應當仍處于幼年時期。而此次發(fā)現(xiàn)的6顆星系，根據(jù)初步測定，其質(zhì)量與今天的銀河系相當，卻直接出現(xiàn)在了130億年前的宇宙中。

如前所述，星系的成長需要漫長的時間。銀河系從嬰兒時期增長至今天，花了100多億年。以銀河系作比，這6顆星系在宇宙誕生之后幾億年內(nèi)的增長速度達到了銀河系整個歷史平均的20倍。在現(xiàn)有的宇宙學和星系形成理論下，這樣的增長是無法解釋的。

不過，從韋布到哈勃的技術(shù)跨越，人類只用了三十多年

理論的進一步完善未來可期

（圖：韋布望遠鏡特殊瞳孔鏡頭的自拍）▼

我們本來的目標是用韋布望遠鏡為宇宙拍一張嬰兒照，結(jié)果傳回的照片中赫然出現(xiàn)了一群成年星系。這就好比一位古生物學家在5億年前埋藏著三葉蟲化石的寒武紀地層中挖出了一具人類骨架。

關(guān)于如何解釋這6顆“不應該出現(xiàn)”的星系，有學者指出，問題的關(guān)鍵或許在于宇宙早期存在某種未知的機制，使恒星以比以往認為的更高效的途徑形成。

論文作者在接受采訪時也進行推測，嫌疑犯可能與孕育星系形成的暗物質(zhì)暈有關(guān)，但那時的宇宙也不應該存在那么大的暗物質(zhì)暈。還有一些觀點認為，這6顆神秘的星系或是隱蔽的超大質(zhì)量黑洞。

暗物質(zhì)的神秘面紗亟待天文學家們?nèi)ソ忾_

（圖：wiki）▼

發(fā)表該論文的研究團隊一度懷疑是否是自己犯了什么錯誤。為此，作者分別使用了7種不同的方法來擬合這些星系的紅移和質(zhì)量，但都得到了比較一致的結(jié)果。

a.作者用7種不同的方法測定這批星系的恒星質(zhì)量

b.7種方法得到的紅移（代表離我們的距離）▼

不過，現(xiàn)有的分析只基于測光數(shù)據(jù)，若要對其進行最終的驗證，最確信的方法是等待后續(xù)精確的光譜測量，以獲取關(guān)于它們的金屬豐度、形態(tài)類型等更為細致的信息。

如此看來，這樁疑案最終破解或許還需要等待很長一段時間。但不論最終結(jié)果如何，回顧人類觀測宇宙的歷史，每一次望遠鏡技術(shù)的革新，帶來的都是人類對宇宙認識的顛覆性進步。我們從不懼怕新的發(fā)現(xiàn)推翻現(xiàn)有理論，而是始終對它將為我們的科學邊界打開一扇什么樣的大門滿懷期待。

限制人類繼續(xù)向外探索的，只有想象力！

（插畫：Quatamagazine）▼

參考資料：

1. 在《自然》發(fā)表的論文原文：Labbé, I., van Dokkum, P., Nelson, E. et al. A population of red candidate massive galaxies ~600 Myr after the Big Bang. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05786-2

2. 高精度宇宙學星系形成數(shù)值模擬IllustrisTNG結(jié)果展示網(wǎng)址：https://www.tng-project.org/media/

3. 哈勃星系深場系列項目網(wǎng)址：https://www.nasa.gov/content/discoveries-hubbles-deep-fields

*本文內(nèi)容為作者提供，不代表地球知識局立場

封面：壹圖網(wǎng)

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