天文学家努力应对JWST对早期星系的发现

在他们寻求了解照亮宇宙的第一批恒星和星系的过程中，天文学家仍处于黑暗之中——但一次一个发现越来越接近启蒙。

这是詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST)最初观察得出的几乎不可避免的结论，该天文台耗资 100 亿美元，于 7 月开始科学运营。JWST 旨在瞥见宇宙最早发光物体的微弱红外光，其视野可以追溯到大爆炸后的最初几亿年，使其能够获得比任何其他已建成设施更多、更好的关于新生星系的数据。但事实证明，它收集的银河系“婴儿照片”比大多数研究人员敢于梦想的还要丰富。简而言之，早期宇宙中候选星系的数量超出了预测，目前已发现数十个. 解释这种过量可能需要对流行的宇宙学模型进行重大修改，这些变化可能涉及第一批星系更快形成，它们的恒星更亮——或者暗物质或暗能量的性质可能比以前想象的更加复杂和神秘。

现在，JWST 最引人注目的候选早期星系中的两个已经经受住了进一步的审查，加强了科学家们的怀疑，即我们对宇宙历史的了解是极其不完整的。追溯到大爆炸后的 3.5 亿年和 4.5 亿年，在它们被发现时，这两个星系比之前已知的任何其他星系都要古老。它们是由两个团队独立发现的，一个由现在麻省理工学院的Rohan Naidu 领导，另一个由意大利罗马天文台的Marco Castellano 领导。这两篇发现论文最初发布在预印本服务器 arXiv.org 上，现在已经清除了同行评审发表的关键障碍，每一篇都出现在天体物理学杂志快报上分别在 11 月下旬和 10 月。这不仅仅是一个仪式性的里程碑——JWST 仪器的早期校准问题引发了天文学家的担忧，即这些发现可能错误计算了到这些星系的真实距离，使它们成为更现代的冒名顶替者，似乎只是早期宇宙小圈子的一部分。但经过彻底的同行评审后，“我们可以非常有信心地说，校准对这些星系来说不是问题，”卡斯特拉诺说。“他们是非常有实力的候选人。我们终于解决了校准问题。” 然而，需要进行后续观察，以绝对确认它们破纪录的距离。

与此同时，天文学家发现了其他几个早期星系候选者，其中一些似乎可以追溯到大爆炸后 2 亿年。在 JWST 发射之前，没有人知道星系是否会在宇宙 138 亿年的历史中如此早地形成，当时人们认为物质仍在稳定地聚结成产生大星系所需的引力束缚团块群星。“所以我们想知道，‘我们真的了解这些星系形成的早期阶段吗?’”加州大学圣克鲁兹分校的天文学家加思伊林沃思在宇航局举行的新闻发布会上说对前两名候选人进行同行评审验证。“这给理论家提出了很多问题。”

其中最主要的是暗物质究竟如何引导星系的出现。在大爆炸后的最初几十万年里，宇宙非常热，引力无法将正常物质聚集在一起形成大的原星系团。然而，这“对暗物质来说不是问题，”苏格兰爱丁堡大学的宇宙学家 Jorge Peñarrubia 说，“因为暗物质不通过电磁力相互作用。” 相反，只有引力才是这种无形物质的主人——这意味着在大爆炸后的短短片刻，当原始混沌占据主导地位时，引力立即开始将暗物质聚集在一起，形成被称为光晕的大团块。这些暗物质晕被认为充当了普通物质的引力汇，为早期宇宙中随后形成的星系播种。直到今天，他们所牧养的星星的明显运动都暴露了他们的忍耐力。这样的光环仍然像我们自己的现代宇宙的宏伟但看不见的雕塑家一样围绕着星系。

JWST 对早期星系的快速发现可能正在检验我们对这些光晕如何形成的理解，或许表明它们比预期更早地达到了巨大的体积。一种解释可能涉及暗物质本身的本质。理论家们发现，对暗物质的简单处理，即暗物质仅通过引力与自身和正常物质相互作用，可以准确地复制大尺度的宇宙结构。但是大自然并不能保证简单。实际上，由于一种未知的力，暗物质可能会与自身相互作用，也许是通过一种不在当前物理标准模型中的粒子——可能会增加这些光晕的增长速度，并解释为什么大而明亮的星系能够出现得如此之快。