詹姆斯·韦伯太空望远镜真的“打破”了宇宙学吗？

虽然世界各地的头条新闻声称詹姆斯·韦伯太空望远镜发现的古代星系正在“打破”我们对大爆炸的理解，但事实要微妙得多，也更有趣。

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詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 开始其科学运作后不久，天文学家宣布他们在早期宇宙中发现了一些星系，这些星系对于其年龄来说太大、太亮且充满了恒星。虽然世界各地的头条新闻声称这些星系正在“打破”我们对大爆炸的理解，但事实要微妙得多，也更有趣。

大爆炸理论是我们对宇宙历史的总体描述，从遥远的过去开始，当时的宇宙比今天小得多、温度更高、密度更大。这个模型最初是在 20 世纪初开发出来的，经过了一系列的观测测试，非常擅长解释各种宇宙学观测结果，包括来自遥远星系的光的红移、宇宙辐射形式的剩余辐射的出现。微波背景、轻元素的丰度以及星系和更大结构的演化。

虽然大爆炸理论不能确定哪些星系会出现在哪里，但它可以谈论概率。例如，宇宙学家可以粗略地说出在宇宙的某个年龄，给定体积中应该出现多少个小星系、多少个中型星系和多少个大星系。但在 JWST 之前，我们无法直接观测到星系演化的最早阶段——这是望远镜的明确设计目的。

2022 年，天文学家宣布他们发现了极其遥远的星系，它们的大小令人惊讶、怪异。他们测得这些星系的红移超过 16，这意味着这些星系仅在大爆炸后 2 亿至 2.5 亿年就存在了。然而它们却是巨大的，而且看起来已经完全成形，有旋臂和一切。

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这些星系似乎远远超出了大爆炸理论的预期。他们就像在幼儿园教室里发现青少年一样。那么到底发生了什么事呢？

弯曲宇宙学

提示大爆炸理论死亡的厚颜无耻的头条新闻。但这些故事遗漏了一个关键细节：天文学家通过一种称为光度测定的技术来估计这些星系的红移，但这种技术的不确定性非常大。要全面评估这些星系“打破”宇宙学的能力，必须等待对其红移及其年龄进行更精确的测量。

几个月后，当这些更精确的测量最终到来时，这些星系从破纪录的星系变成了……正常的星系。例如，一个星系的红移从超过 16 修正为仅 4.9，将其年龄从大爆炸后的 2.4 亿年移至远超过 10 亿年。这对于正常的大爆炸理论来说已经足够解释它们的大小和形状了。

但与这些不那么令人兴奋的修正一起出现的是其他星系的一些新确认的红移，包括 JADES-GS-z14-0，目前已知最遥远的星系，红移为 14.32。当宇宙只有 2.9 亿年的时候，这个星系就已经生机勃勃。

天文学家完全预计宇宙大爆炸后 2.9 亿年仍存在星系；这就是他们建造 JWST 的原因。就星系而言，JADES-GS-z14-0 无疑是一个幼年星系——与银河系的 100,000 光年相比，它的直径只有 1,600 光年。但有趣的是，这个星系相当明亮并且充满了恒星——不足以彻底打破宇宙学，但足以引发一些关于宇宙中出现的第一个星系的起源和发展的问题。

构建宇宙学

大爆炸理论很可能是错误的；科学家必须保持心理纪律才能承认这种可能性。但有了如此丰富的证据支持，大爆炸不太可能从单一的观察中被推翻。值得重申的是，JWST 正在做的正是我们设计和建造它的目的：回答一些关于第一批恒星和星系是如何出现的重大悬而未决的问题。

宇宙学家完全有可能在大爆炸的框架内解释像 JADES-GS-z14-0 这样的星系的出现，而无需做出任何重大修改。例如，大型黑洞可能在这些星系出现之前就已经出现，它们的超强引力可能引发了明亮的恒星形成爆发。或者也许是超新星反馈和其他机制导致第一个星系比现在的星系更丰富的恒星，使得这些早期星系尽管尺寸很小但看起来却很强大。

或者，也许我们最初的观察偏向于这些小而明亮的异常值，进一步的活动将揭示更多的普通星系，从而减少星系形成模型的紧张。

最后，也许我们需要向宇宙添加一些新的成分，比如允许暗能量随着时间的推移而演化，以便在这么早的时候产生这些类型的星系。

这本身就足够令人兴奋了，不需要颠覆我们所知道的大爆炸。宇宙中存在着足够多的谜团和隐藏的角落，让天文学家们彻夜不眠地思考各种可能性，并在早上继续研究如何解决它们。

最初发布于Space.com。