最近的天文观测揭示了早期宇宙中存在6个巨大的星系，这挑战了之前对星系形成的理解。宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学助理教授Joel Leja分析了这些星系发出的光，他说这些物体的质量比科学家们预期的要大得多。以前，人们认为在宇宙发展的这个阶段只有小而年轻的星系存在，但发现完全成熟的星系表明，对早期宇宙的理解需要修正。
在宇宙早期发现的六个大质量星系正在颠覆科学家之前的理解关于宇宙中星系的起源。
“这些物体的质量比任何人想象的都要大得多，”宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学助理教授乔尔·莱贾(Joel Leja)说，他模拟了这些星系发出的光。“我们本以为在这个时间点上只会发现微小、年轻的婴儿星系，但我们在以前被认为是宇宙黎明的时候发现了和我们一样成熟的星系。”
利用美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜发布的第一个数据集，国际科学家团队发现了像银河系一样成熟的物体，当时宇宙只有当前年龄的3%，大约在大爆炸后5 -7亿年。该望远镜配备了红外感应仪器，能够探测到最古老的恒星和星系发出的光。Leja解释说，从本质上讲，望远镜让科学家们可以看到大约135亿年前，接近我们所知道的宇宙的起源。
莱贾说:“这是我们第一次看到这么远的东西，所以我们对所看到的东西保持开放的心态很重要。”“虽然数据表明它们很可能是星系，但我认为其中一些物体很有可能是被遮蔽的超大质量黑洞。无论如何，我们发现的质量意味着在我们宇宙的这个时期，恒星的已知质量比我们之前认为的要大100倍。即使我们把样本减半，这仍然是一个惊人的变化。”
大爆炸5 -8亿年后，6个候选大质量星系的图像。其中一个来源(左下)可能包含与我们现在的银河系一样多的恒星，但其密度是银河系的30倍。资料来源:NASA, ESA, CSA, I. Labbe(斯威本科技大学)。图像处理:G. Brammer(哥本哈根大学尼尔斯玻尔研究所宇宙黎明中心)
在今天(2023年2月22日)发表在《自然》杂志上的一篇论文中，研究人员展示了这六个星系的质量远远超过任何人预期的证据，并对科学家之前对宇宙之初星系形成的理解提出了质疑。
“大质量星系形成开始于宇宙历史的极早期，这一发现颠覆了我们许多人认为已经确定的科学，”Leja说。“我们一直非正式地称这些物体为‘宇宙破坏者’——到目前为止，它们一直没有辜负它们的名字。”
Leja解释说，该团队发现的星系质量如此之大，以至于它们与99%的宇宙学模型都存在矛盾。要解释这么大的质量，要么需要改变宇宙学模型，要么需要修正对早期宇宙星系形成的科学理解——星系一开始是由恒星和尘埃组成的小云团，随着时间的推移逐渐变大。他补充说，无论哪种情况，我们都需要从根本上改变对宇宙形成过程的理解。
Leja说:“我们第一次观测早期宇宙，不知道我们会发现什么。”“事实证明，我们发现了一些意想不到的东西，它实际上给科学带来了问题。它让早期星系形成的整个图景受到了质疑。”
7月12日，美国宇航局发布了詹姆斯·韦伯太空望远镜的首批全彩图像和光谱数据。作为太空中最大的红外望远镜，韦伯望远镜被设计用来观察宇宙的起源，它的高分辨率使它能够观测到哈勃太空望远镜无法观测到的过于古老、遥远或微弱的物体。
“当我们得到数据时，每个人都开始潜水，这些巨大的东西很快就冒出来了，”Leja说。“我们开始建模，试图弄清楚它们是什么，因为它们又大又亮。我的第一个想法是我们犯了一个错误，我们应该找到它，继续我们的生活。但尽管我们做了很多努力，还是没有找到这个错误。”
Leja解释说，确认该团队的发现并减轻任何剩余担忧的一种方法是拍摄大质量星系的光谱图像。这将为团队提供有关真实距离的数据，以及组成星系的气体和其他元素的数据。然后，研究小组可以利用这些数据建立一个更清晰的模型，描绘出星系的样子，以及它们的真实质量。
“光谱可以立即告诉我们这些东西是否真实，”莱贾说。“这将告诉我们他们有多大，他们有多远。有趣的是，我们希望从詹姆斯·韦伯身上学到很多东西，而这一点远不是最重要的。我们发现了一些我们从未想过要问宇宙的问题——它发生的比我想象的要快得多，但我们已经在这里了。”
参考文献:“大爆炸后~600 Myr的红色候选大质量星系”2023年2月22日，《自然》。DOI: 10.1038 / s41586 - 023 - 05786 - 2
这篇论文的其他合著者是宾夕法尼亚州立大学的Elijah Mathews和Wang Bingjie，斯威本理工大学的Ivo Labbe，耶鲁大学的Pieter van Dokkum，科罗拉多大学的Erica Nelson，匹兹堡大学的Rachel Bezanson，加州大学和斯坦福大学的Katherine A. Suess，哥本哈根大学的Gabriel Brammer，马萨诸塞大学和哥本哈根大学的Katherine Whitaker，以及巴伦西亚大学的Mauro Stefanon。
