我们对宇宙年龄的看法是错误的吗？詹姆斯·韦伯望远镜提出了重大问题。

通过 JWST 发现的一些最早的星系也是最亮的。这是我们关于宇宙的想法的一个问题。

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詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 是迄今为止建造的最大、最强大的太空望远镜。自 2021 年 12 月推出以来，它提供了开创性的见解。其中包括发现最早和最遥远的已知星系，它们在大爆炸后仅3亿年就存在。

遥远的物体也非常古老，因为这些物体发出的光需要很长时间才能到达望远镜。詹姆斯韦伯太空望远镜现在已经发现了许多这样的非常早期的星系。我们实际上是在回顾这些物体的过去，看到它们在宇宙诞生后不久的样子。

詹姆斯韦伯太空望远镜的这些观察结果与我们目前对宇宙学（旨在解释宇宙的科学学科）和星系形成的理解一致。但它们也揭示了我们意想不到的方面。许多早期星系闪耀得比我们想象的要明亮得多，因为它们在大爆炸后不久就存在了。

人们认为更亮的星系拥有更多的恒星和更大的质量。人们认为这种水平的恒星形成需要更多的时间。这些星系的中心也有活跃生长的黑洞——这表明这些物体在大爆炸后迅速成熟。那么我们如何解释这些令人惊讶的发现呢？它们是否打破了我们的宇宙学观念或需要改变宇宙的年龄？

通过将 JWST 的详细图像与其强大的光谱功能相结合，科学家们已经能够研究这些早期星系。光谱学是一种解释空间物体发射或吸收的电磁辐射的方法。这反过来又可以告诉您对象的属性。

我们对宇宙学和星系形成的理解依赖于一些基本思想。其中之一是宇宙学原理，它指出，在大尺度上，宇宙是均匀的（各处相同）和各向同性的（所有方向相同）。结合爱因斯坦的广义相对论，这一原理使我们能够将宇宙的演化（它如何膨胀或收缩）与其能量和质量含量联系起来。

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标准宇宙学模型，称为“热大爆炸”理论，包括三个主要组成部分或成分。一种是我们肉眼可以看到的星系、恒星和行星中的普通物质。第二种成分是冷暗物质（CDM），它是一种缓慢移动的物质粒子，不发射、吸收或反射光。

第三个组成部分是已知的宇宙常数（Λ 或 lambda）。这与暗能量有关，是解释宇宙正在加速膨胀这一事实的一种方式。这些组件共同构成了所谓的宇宙学ΛCDM模型。

暗能量约占当今宇宙总能量的68%。

尽管无法用科学仪器直接观测到，但暗物质被认为构成了宇宙中的大部分物质，约占宇宙总质量和能量的 27%。

虽然暗物质和暗能量仍然神秘，但宇宙学的ΛCDM模型得到了广泛的详细观测的支持。其中包括宇宙膨胀的测量、宇宙微波背景或 CMB（大爆炸的“余辉”）以及星系的发展及其大规模分布 - 例如，星系聚集在一起。

ΛCDM 模型为我们理解星系如何形成和演化奠定了基础。例如，宇宙微波背景在大爆炸后约 38 万年发出，提供了早期宇宙中发生的早期密度波动的快照。这些波动，特别是暗物质中的波动，最终发展成为我们今天观察到的结构，例如星系和恒星。

恒星是如何形成的

星系的形成由受许多不同物理现象影响的复杂过程组成。其中一些机制尚未完全了解，例如哪些过程控制着星系中的气体如何冷却和凝结形成恒星。

释放大量能量的超新星、恒星风和黑洞（有时称为活动星系核，或AGN）的影响都可以加热或从星系中排出气体。这反过来又可以促进或减少恒星的形成，从而影响星系的生长。

人们对这些“反馈过程”的效率和规模以及它们随时间的累积影响知之甚少。它们是星系形成的数学模型或模拟中不确定性的重要来源。

过去十年来，星系形成的复杂数值模拟取得了重大进展。仍然可以从将恒星形成与暗物质晕演化联系起来的更简单的模拟和模型中获得见解和提示。这些光晕是由暗物质构成的巨大的、看不见的结构，可以有效地将星系锚定在其中。

星系形成的一种更简单的模型假设星系中恒星形成的速度与流入这些星系的气体直接相关。该模型还提出，星系中的恒星形成速率与暗物质晕生长的速率成正比。它假设将气体转化为恒星的效率是固定的，与宇宙时间无关。

这种“恒定恒星形成效率”模型与大爆炸后前十亿年恒星形成急剧增加的情况一致。这一时期暗物质晕的快速增长为星系有效形成恒星提供了必要的条件。尽管很简单，但该模型已成功预测了广泛的实际观测结果，包括整个宇宙时间内恒星形成的总体速率。

第一个星系的秘密

JWST 开创了探索的新时代。凭借先进的仪器，太空望远镜可以捕获详细的图像和高分辨率光谱——显示天空中物体发射或吸收的电磁辐射强度的图表。对于 JWST，这些光谱位于电磁光谱的近红外区域。研究这个区域对于观察早期星系至关重要，随着宇宙的膨胀，早期星系的可见光已变成近红外光（或“红移”）。

红移描述了星系发出的光的波长在传播过程中如何被拉伸。星系距离越远，其红移越大。

在过去两年中，JWST 识别并描述了红移值在 10 到 15 之间的星系。这些星系形成于大爆炸后约 200-5 亿年，对于星系来说相对较小（大约 100 秒差距，即 3 万万亿公里）。它们各自由大约 1 亿颗恒星组成，并以每年大约一颗类太阳恒星的速度形成新恒星。

虽然这听起来不太令人印象深刻，但这意味着这些系统的恒星含量仅在一亿年内就翻了一番。相比之下，我们的银河系需要大约 250 亿年才能将其恒星质量增加一倍。

早期星系形成

詹姆斯韦伯太空望远镜关于高红移或距离的明亮星系的令人惊讶的发现可能意味着这些星系在大爆炸后成熟的速度比预期的要快。这很重要，因为它将挑战现有的星系形成模型。上述恒定的恒星形成效率模型虽然可以有效地解释我们所看到的大部分现象，但很难解释观测到的大量红移超过 10 的明亮且遥远的星系。

为了解决这个问题，科学家们正在探索各种可能性。其中包括对气体随着时间的推移如何有效转化为恒星的理论的改变。他们还在重新考虑反馈过程的相对重要性——超新星和黑洞等现象如何帮助调节恒星形成。

一些理论表明，早期宇宙中的恒星形成可能比以前认为的更加强烈或“爆发”，导致这些早期星系的快速生长及其表观亮度。

其他人则提出，不同的因素，例如星系尘埃数量较少、恒星质量的头重脚轻的分布，或者活动黑洞等现象的贡献，可能是造成这些早期星系意想不到的亮度的原因。

这些解释援引了星系形成物理学的变化来解释 JWST 的发现。但科学家们也一直在考虑对广泛的宇宙学理论进行修改。例如，早期明亮星系的丰富性可以部分地通过物质功率谱的变化来解释。这是描述宇宙密度差异的一种方式。

实现物质功率谱变化的一种可能机制是一种称为“早期暗能量”的理论现象。这种观点认为，一种与暗能量相似的新宇宙能源可能在早期就已经存在，红移为 3000。这是在 CMB 发射之前，也就是大爆炸之后 38 万年。

在宇宙演化阶段（称为重组）之后，这种早期暗能量会迅速衰变。有趣的是，早期暗能量还可以缓解哈勃张力——对宇宙年龄的不同估计之间的差异。

2023 年发表的一篇论文表明，JWST 的星系发现需要科学家将宇宙的年龄拉长数十亿年。

然而，其他现象也可以解释明亮的星系。在 JWST 的观测结果被用来改变宇宙学的广泛观念之前，对星系中的物理过程有更详细的了解是至关重要的。

由 JWST 确定的最遥远星系的当前记录保持者是称为 JADES-GS-z14-0。迄今为止收集的数据表明这些星系具有多种不同的特性。

JWST 观测到的星系的 3D 可视化，包括 JADES-GS-z14-0。

一些星系显示出拥有正在发射能量的黑洞的迹象，而另一些星系似乎拥有年轻、无尘的恒星群。由于这些星系微弱且观测成本高昂（需要花费数小时的曝光时间），迄今为止，只有20个红移大于10的星系被光谱观测到，并且需要数年时间才能建立统计样本。

不同的攻击角度可能是对宇宙后期星系的观测，当时宇宙已经有 10 亿到 20 亿岁（红移在 3 到 9 之间）。詹姆斯韦伯太空望远镜的功能使研究人员能够获得这些天体中恒星和气体的关键指标，这些指标可用于限制星系形成的整体历史。

打破宇宙？

在 JWST 运行的第一年，有人声称一些最早的星系具有极高的恒星质量（其中包含的恒星质量），并且需要改变宇宙学以适应早期宇宙中存在的明亮星系。它们甚至被称为“宇宙破坏者”星系。

不久之后，人们发现这些星系并没有破坏宇宙，但它们的特性可以通过一系列不同的现象来解释。更好的观测数据表明，到某些天体的距离被高估了（这导致了对其恒星质量的高估）。

这些星系发出的光可以由恒星以外的来源提供动力，例如吸积黑洞。模型或模拟中的假设也可能导致这些星系中恒星总质量的偏差。

随着 JWST 继续其使命，它将帮助科学家完善他们的模型并回答有关我们宇宙起源的一些最基本的问题。它应该能够解开有关宇宙早期的更多秘密，包括这些明亮而遥远的星系之谜。

这篇编辑过的文章是在知识共享许可下从The Conversation重新发布的。阅读原始文章。