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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(yú) / 校稿：朝乾 / 編輯：魔鬼魚(yú)

近日，《自然》雜志發(fā)表了一項(xiàng)最新研究。天文學(xué)家從詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)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(dāng)。

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

（圖：NASA）▼

但詭異之處在于，紅移測(cè)量表明，它們的光竟然來(lái)自130多億年前！而宇宙誕生至今也不過(guò)約138億年。

那時(shí)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(gè)地方。此項(xiàng)結(jié)果若被證實(shí)，意味著現(xiàn)有的宇宙學(xué)和星系形成理論將面臨挑戰(zhàn)。

韋布望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)上限超過(guò)哈勃望遠(yuǎn)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(huì)引起如此激烈的關(guān)注？我們首先根據(jù)現(xiàn)有的理論，來(lái)看看星系是如何形成的。

如同達(dá)爾文的進(jìn)化論認(rèn)為生命不是被先天創(chuàng)造，而是由簡(jiǎn)單到復(fù)雜慢慢演化而來(lái)一樣?，F(xiàn)代宇宙學(xué)認(rèn)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(zhǎng)時(shí)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(shí)代”中。那時(shí)，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(gè)過(guò)程光子被釋放，成為今天的宇宙微波背景輻射

宇宙進(jìn)入黑暗時(shí)代（圖：wiki）▼

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

大爆炸后約4億年，第一代恒星開(kāi)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(shí)的場(chǎng)景很像一個(gè)胚胎，暗物質(zhì)暈像包裹和保護(hù)星系的“蛋白”，而星系就是其中的“蛋黃”。

暗物質(zhì)不會(huì)吸收、反射或發(fā)出光

人們目前只能透過(guò)引力產(chǎn)生的效應(yīng)間接觀測(cè)到它的存在

（圖：wiki）▼

之后，星系可以通過(guò)兩種方式不斷成長(zhǎng)。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(zhǎng)大。也有可能兩個(gè)差不多大的星系撞到一起，經(jīng)過(guò)劇烈的融合成為一個(gè)全新形態(tài)的星系。

兩個(gè)星系恰好迎頭相撞，形成了一個(gè)罕見(jiàn)的輪狀星系

（右邊這個(gè)大家伙）（圖：NASA）▼

聽(tīng)起來(lái)是不是很耳熟？每一個(gè)星系自幼就是宇宙級(jí)“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(wàn)險(xiǎn)，不斷打怪升級(jí)，幸存至今，最終成為一個(gè)包含上千億顆恒星的龐大系統(tǒng)。

并且，銀河系仍儲(chǔ)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(gè)大塊頭的衛(wèi)星星系環(huán)繞運(yùn)行，等待成為未來(lái)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(cè)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(yù)計(jì)將于40億年后發(fā)生碰撞。由于二者體量相近，最終會(huì)合并成一個(gè)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(yáng)系并不會(huì)因此遭受致命的災(zāi)難。相反，那時(shí)的人類，將有望看到有史以來(lái)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(guò)程

（圖：NASA）▼

20世紀(jì)20年代，著名天文學(xué)家埃德溫·哈勃通過(guò)大量的觀測(cè)，根據(jù)形態(tài)對(duì)星系進(jìn)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(jìn)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(lái)源于它們各自獨(dú)特的成長(zhǎng)及并合歷史。比如，年輕的星系顏色較藍(lán)，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(huì)發(fā)出更多藍(lán)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(lán)的星壽命越短

長(zhǎng)壽的基本都是紅矮星、褐矮星

（參考：wiki）▼

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

而居于超大星系團(tuán)C位的中央星系，則往往是巨橢圓星系，它在漫長(zhǎng)的歷史中，通過(guò)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(qiáng)烈影響，會(huì)被扭曲甚至撕裂出長(zhǎng)長(zhǎng)的潮汐尾。

蝌蚪星系被撕扯出的潮汐尾

（圖：wiki）▼

當(dāng)一個(gè)星系吞并另一個(gè)星系時(shí)，新物質(zhì)的進(jìn)入有可能為星系的生長(zhǎng)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(dǎo)致消化不良，反而猝滅自身的恒星形成活動(dòng)。

星暴星系，伴隨著誕生與湮滅的極致暴力美學(xué)

（圖：wiki）▼

憑借飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)，近年來(lái)，天文學(xué)家已經(jīng)能在計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)從宇宙大爆炸之后極早期直到今天，長(zhǎng)達(dá)130億年的時(shí)間里，宇宙結(jié)構(gòu)形成及星系演化的歷史，并利用不斷細(xì)化的模型還原星系內(nèi)部復(fù)雜的物理過(guò)程。

目前最新的高精度宇宙學(xué)數(shù)值模擬IllustrisTNG50

一個(gè)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(gè)漩渦星系轉(zhuǎn)型為橢圓星系

（來(lái)源：tng-project.org）▼

隨著望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的不斷進(jìn)步，天文學(xué)家也嘗試通過(guò)觀測(cè)真實(shí)宇宙中的星系樣本，驗(yàn)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(cè)中看得越遠(yuǎn)，就能看到越久以前的時(shí)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(shí)間正在接近整個(gè)宇宙的年齡。

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

這張照片，蘊(yùn)藏了科學(xué)家們不少的重大發(fā)現(xiàn)

（圖：NASA）▼

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

天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)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(jī)會(huì)看到更為混沌、原始的宇宙面貌

（圖：wiki）▼

比如，遠(yuǎn)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?yàn)樵?00億年前，宇宙還沒(méi)有膨脹得像今天那么大，宇宙空間顯得更加擁擠。

通過(guò)這樣的遠(yuǎn)近星系樣本的對(duì)比，我們實(shí)際上已經(jīng)看到了凝固在時(shí)間長(zhǎng)河中、真實(shí)宇宙里的星系如何演化至今的過(guò)程。這是一條真正意義上的時(shí)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(yuǎn)鏡能讓我們一直看到星系形成的起點(diǎn)嗎？很遺憾，因?yàn)橛钪?strong>越早期，星系離我們越遠(yuǎn)，質(zhì)量也越小，因此迅速變暗。

此外，由于宇宙膨脹，遠(yuǎn)處星系發(fā)出的光在傳到地球的過(guò)程中波長(zhǎng)會(huì)被拉長(zhǎng)，導(dǎo)致越遠(yuǎn)的星系看起來(lái)越紅，直到成為紅外線。

這一現(xiàn)象，被稱為紅移，在韋布望遠(yuǎn)鏡超深場(chǎng)照片中

框中的Glass-13星系紅移數(shù)值z(mì)甚至達(dá)到了13

（圖：NASA/CSA/ESA/STScl）▼

而哈勃望遠(yuǎn)鏡主要工作在光學(xué)波段。為了繼續(xù)延長(zhǎng)這條通向宇宙深處的時(shí)空隧道，我們需要一臺(tái)能夠看到紅外波段、并且性能更強(qiáng)的望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡。為了看到宇宙更早期、紅移更高的星系，韋布被設(shè)計(jì)為在紅外望遠(yuǎn)鏡，因而外形結(jié)構(gòu)與哈勃有很大的不同，并且口徑達(dá)到了6.5米，是哈勃的近3倍。

不同望遠(yuǎn)鏡覆蓋的電磁波譜段落不同

也因此韋布望遠(yuǎn)鏡在天文觀測(cè)上比哈勃有很大的優(yōu)勢(shì)

（參考：BBC）▼

憑借其優(yōu)異的性能，我們期待韋布望遠(yuǎn)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(shí)期，以進(jìn)一步驗(yàn)證現(xiàn)有的物理模型。

本文開(kāi)頭提到的最新發(fā)現(xiàn)便來(lái)自去年7月韋布傳回的首批數(shù)據(jù)。其實(shí)，在此次發(fā)現(xiàn)的6顆離奇星系中，有的曾被哈勃望遠(yuǎn)鏡在部分波段拍到過(guò)，但它們?cè)诠膱D像中模糊不清，沒(méi)有引起注意。

在哈勃的各個(gè)光學(xué)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(yuǎn)鏡所拍）▼

按照目前的星系形成理論，在130億年前，星系應(yīng)當(dāng)仍處于幼年時(shí)期。而此次發(fā)現(xiàn)的6顆星系，根據(jù)初步測(cè)定，其質(zhì)量與今天的銀河系相當(dāng)，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(zhǎng)需要漫長(zhǎng)的時(shí)間。銀河系從嬰兒時(shí)期增長(zhǎng)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(zhǎng)速度達(dá)到了銀河系整個(gè)歷史平均的20倍。在現(xiàn)有的宇宙學(xué)和星系形成理論下，這樣的增長(zhǎng)是無(wú)法解釋的。

不過(guò)，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(jìn)一步完善未來(lái)可期

（圖：韋布望遠(yuǎn)鏡特殊瞳孔鏡頭的自拍）▼

我們本來(lái)的目標(biāo)是用韋布望遠(yuǎn)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(xué)家在5億年前埋藏著三葉蟲(chóng)化石的寒武紀(jì)地層中挖出了一具人類骨架。

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

論文作者在接受采訪時(shí)也進(jìn)行推測(cè)，嫌疑犯可能與孕育星系形成的暗物質(zhì)暈有關(guān)，但那時(shí)的宇宙也不應(yīng)該存在那么大的暗物質(zhì)暈。還有一些觀點(diǎn)認(rèn)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(xué)家們?nèi)ソ忾_(kāi)

（圖：wiki）▼

發(fā)表該論文的研究團(tuán)隊(duì)一度懷疑是否是自己犯了什么錯(cuò)誤。為此，作者分別使用了7種不同的方法來(lái)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(cè)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(guò)，現(xiàn)有的分析只基于測(cè)光數(shù)據(jù)，若要對(duì)其進(jìn)行最終的驗(yàn)證，最確信的方法是等待后續(xù)精確的光譜測(cè)量，以獲取關(guān)于它們的金屬豐度、形態(tài)類型等更為細(xì)致的信息。

如此看來(lái)，這樁疑案最終破解或許還需要等待很長(zhǎng)一段時(shí)間。但不論最終結(jié)果如何，回顧人類觀測(cè)宇宙的歷史，每一次望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的革新，帶來(lái)的都是人類對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)的顛覆性進(jìn)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(duì)它將為我們的科學(xué)邊界打開(kāi)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(huà)：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(xué)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(chǎng)系列項(xiàng)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(shí)局立場(chǎng)

封面：壹圖網(wǎng)

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