巨大的婴儿星系如何动摇我们对早期宇宙的

　　大爆炸后5-8亿年诞生的六个大质量星系的图像。Credit: NASA / ESA / CSA / I. Labbe, Author provided

　　据美国物理学家组织网（by Ivo Labbe, The Conversation）：“看看这个，”埃里卡的信息说。她正在仔细研究全新的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)拍摄的第一批图像。

　　现在是2022年7月，距离革命性的超级望远镜发布首批图像仅仅一周。25年的制作过程，比以前的任何望远镜都强大100到1000倍，是人类历史上最大和最雄心勃勃的科学实验之一:很难不用最高级的语言来说话，这都是真的。

　　这架望远镜花了几十年时间建造，因为它必须被制成可折叠的，以适应火箭的顶部，并被送到距离地球150万公里的寒冷太空中。在这里，远离地球的热辐射，JWST可以探测到来自遥远宇宙的最微弱的红外光。

　　我不知道在这些照片中有一个小红点，它将动摇我们对大爆炸后第一个星系如何形成的理解。经过几个月的分析，我和我的同事刚刚在《自然》杂志上发表了我们的结果。

　　寻找新的星系

　　艾丽卡和我正在寻找新类型的星系。古老的哈勃太空望远镜已经错过的星系，即使是在数十年的巡天之后。

　　她和我15年前就认识了。我们相遇时，她是加州文理学院的一年级学生，而我是一名刚从大学毕业的博士，刚刚开始我在洛杉矶的第一份研究工作。JWST只是一个遥远的谣言。

　　不知何故，许多年后，我们再次相遇，现在，我和科罗拉多大学的助理教授埃里卡·尼尔森正站在攻击一个非常真实的JWST的第一批数据的尖端。

　　她称这些新星系为“不明飞行物”，我可以从字里行间读出一个巨大的笑容:“超红色扁平物体”，因为它们看起来都像飞碟。在彩色图像中，它们看起来非常红，因为所有的光都来自红外线，而星系在人类可以看到的波长下是不可见的。

　　红外线是JWST的超能力，让它能够侦察最遥远的星系。来自大爆炸后形成的第一批恒星和星系的紫外线和可见光在向我们传播时被宇宙的膨胀所拉伸，所以当光到达我们时，我们看到的是红外光。

　　不可能的早期，不可能的巨大星系

　　艾丽卡的所有星系看起来都像飞碟，除了一个。我盯着屏幕上的小红点。那不是不明飞行物。然后我突然想到:这是非常不同的事情。重要得多。

　　我在小针刺上运行分析软件，它吐出两个数字:距离131亿光年，质量1000亿颗恒星，我差点吐出我的咖啡。我们刚刚发现了不可能的事。不可思议的早期，不可思议的巨大星系。

　　在这个距离上，光需要130亿年才能到达我们这里，所以我们看到的星系是在宇宙只有7亿岁的时候，仅仅是现在138亿岁的5%。如果这是真的，这个星系已经形成了和我们今天的银河系一样多的恒星。以创纪录的速度。

　　哪里有一个，哪里就有更多。一天后，我找到了六个。

　　天文学的缺失环节？

　　我们有可能发现天文学中缺失的一环吗？星系的形成有一个长期的谜团。当我们在太空中远眺，回到过去，我们看到完全形成的成熟星系的“尸体”似乎在大爆炸后15亿年左右突然出现。

　　这些星系已经停止形成恒星。我们称之为死亡星系，一些天文学家对它们着迷。这些死亡星系的恒星年龄表明，它们肯定在宇宙中形成得更早，但哈勃从未能够发现它们更早的生命阶段。

　　早期死亡的星系是真正奇异的生物，聚集了和银河系一样多的恒星，但是体积却小了30倍。想象一个成年人，体重100公斤，但身高6厘米。我们的小红点也同样奇怪。它们看起来像是同一个星系的婴儿版本，同样重100公斤，高6厘米。

　　太多明星，太早

　　天空中的六个星系及其周围环境。Credit: NASA / ESA / CSA / I. Labbe, Author provided

　　然而，有一个问题。这些小红点有太多的恒星，太早了。恒星是由氢气形成的，基本的宇宙学(“大爆炸”)理论很难预测有多少气体可以形成恒星。

　　为了如此快速地产生这些星系，你几乎需要宇宙中所有的气体以接近100%的效率转化为恒星。这非常困难，这是不可能的科学术语。这一发现可能会改变我们对宇宙中最早的星系是如何形成的理解。

　　这意味着有不同的渠道，一条快速通道，非常迅速、非常有效地产生巨大星系。顶层1%的快速通道。

　　在某种程度上，这些候选人都可以被认为是“黑天鹅”。即使只有一个的证实也将排除我们目前的“所有的天鹅都是白色的”星系形成模型，在这个模型中，所有早期的星系都缓慢而逐渐地增长。

　　检查指纹

　　解开这个谜的第一步是用光谱学来确定距离，我们通过棱镜将这些星系的光分成彩虹般的指纹。这将告诉我们0.1%精度的距离。

　　它还会告诉我们是什么产生了光，是恒星还是其他更奇特的东西。

　　一个偶然的机会，大约一个月前，JWST已经瞄准了六个候选大质量星系中的一个，它原来是一个遥远的婴儿类星体。类星体是当气体落入星系中心的超大质量黑洞并开始明亮发光时出现的现象。

　　一方面，这真的很令人兴奋，因为星系中超大质量黑洞的起源也不为人所知，找到婴儿类星体可能就是关键。另一方面，类星体可以使它们的整个宿主星系变得更加明亮，因此不可能说出有多少恒星以及星系是否真的有那么大。

　　这可能是所有人的答案吗？到处都是婴儿类星体？很可能不会，但还需要一年的时间来调查剩余的星系并找出答案。

　　一只黑天鹅死了，还有五只。