科学家解开宇宙最早星系之谜

科学家解开宇宙最早星系之谜

来看头条扯天文地理，自去年开始运行以来，詹姆斯·韦伯太空望远镜让我们对宇宙的早期历史有了惊人的了解，发现了一系列可以追溯到被称为宇宙黎明的神秘时代的星系。

但在宇宙的婴儿期，看似巨大且成熟的星系的存在却出乎人们的预料——太大、太早。这使得科学家们在质疑宇宙学（宇宙起源和发展的科学）的基本原理的同时，忙着寻找解释。一项新的研究可能会在不撕毁教科书的情况下解开这个谜团。

研究人员使用复杂的计算机模拟来模拟最早的星系是如何演化的。这些表明，在138亿年前宇宙大爆炸事件发生后的最初几亿年里，这些星系中的恒星形成过程与当今宇宙中的银河系等大型星系中的恒星形成过程有所不同。

他们发现，早期星系中的恒星形成是偶尔发生的大爆发，而不是以稳定的速度形成。这很重要，因为科学家通常使用星系的亮度来测量它的大小——数百万或数十亿颗恒星的集体质量。

因此，根据这项研究，这些星系可能相对较小，正如预期的那样，但由于恒星形成的辉煌爆发，它们可能会像真正的大质量星系一样明亮地发光——给人一种质量巨大的欺骗性印象。

“天文学家可以安全地测量这些早期星系的亮度，因为光子（光粒子）是可直接检测和计数的，而要判断这些星系是否真的很大或质量却要困难得多。它们看起来很大是因为它们被观察到伊利诺伊州西北大学天文学博士后孙国超说，他是本周在《天体物理学杂志快报》上发表的这项研究的主要作者。

韦伯于2021年发射并于2022年投入运行，在宇宙黎明中检测到的非常明亮的星系比根据大多数理论模型预期的要多约10倍。

“根据宇宙学的标准模型，在宇宙黎明期间不应该有很多非常巨大的星系，因为大爆炸之后星系需要时间来生长。大爆炸之后，宇宙立即充满了非常热的、几乎均匀的星系。”西北大学天体物理学家和研究资深作者克劳德-安德烈·福彻-吉盖尔说：“等离子体——一个火球——而且没有恒星或星系。”

“在我们的新论文中，我们通过模拟定量地表明，恒星形成的爆发产生的闪光可以解释韦伯观测到的非常明亮的星系。这一点之所以如此重要，是因为我们在解释这些非常明亮的星系时没有打破标准宇宙学模型，”Faucher-Giguère补充道。

该研究中的模拟是相对论环境反馈（FIRE）研究项目的一部分。

研究结果集中在一种称为“爆发式恒星形成”的现象上。

“与以几乎恒定的速度形成恒星相反，这些早期星系中的恒星形成活动时断时续，随着时间的推移，会出现一些很大的波动。这反过来又导致了它们的恒星形成活动发生了很大的变化。亮度是因为像JWST这样的望远镜看到的光是由这些星系中形成的年轻恒星发出的，”孙说。

研究人员知道为什么这种现象会发生在较小的星系中。在这些恒星中，一批非常大的恒星可能会突然爆发，然后由于其巨大的体积而在几百万年后爆炸为超新星。它们将气体喷射到太空中，成为另一次恒星形成爆发的成分。但较大星系中更强的引力效应会阻止这些爆发，有利于稳定的恒星形成。

孙预计韦伯将继续挑战我们对宇宙的理解并提供新的见解，无论它是否符合科学期望。

“这正是科学的完成和进步的方式，”孙说。