教科书又得改了？韦布发现5个“本不该存在”的古老星系

“看看这个。”伊沃·拉贝（Ivo Labbé）收到了埃丽卡·纳尔逊（Erica Nelson）发来的消息。埃丽卡·纳尔逊正在研究詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）发布的第一批图片。

那还是2022年7月，距离这个革命性超级望远镜的第一批图像发布仅一周的时间。韦布望远镜耗时25年才最终建成，比任何已有的望远镜都要强大100到1000倍。这是人类历史上最大、最雄心勃勃的科学实验之一，你很难不用“超级”、“最强”这样的词来形容它，而这也丝毫没有夸大。

这台望远镜之所以耗费了几十年的时间才建造好，其中一个原因是它必须可折叠，必须能够被“塞进”火箭顶部，被送入距离地球150万千米的极寒太空。在那里，它将远离地球的热辐射，从而探测到遥远宇宙中最微弱的红外光。

伊沃·拉贝没有料想到的是，其中一张图片上的小红点将会震撼我们对大爆炸后第一批星系形成的理解，经过数月的分析，他和同事于2023年2月底在《自然》（Nature）杂志上发表了他们的研究成果（Labbé et al., 2023）。

寻找新型星系

纳尔逊和拉贝正在寻找新型的星系。那些被卓越的哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope）错过的星系，即使经过几十年的巡天也没被发现的星系。

他们两人认识已经15年了。那时纳尔逊还在美国加利福尼亚州的一所文理学院读大一，而拉贝刚刚从大学获得博士学位，开始了他在加州洛杉矶当研究员的第一份工作。当时，韦布望远镜还只是一个遥远的传闻。

多年以后，两人的人生轨迹再次交汇，现在是美国科罗拉多大学（University of Colorado）助理教授的纳尔逊和澳大利亚斯威本科技大学（Swinburne University of Technology）副教授的拉贝，正在专攻最终成真的韦布望远镜的第一批数据。

纳尔逊称这些新型星系为“UFO”，但这并非不明飞行物的缩写，而是“超红扁平物”（Ultra-red Flattened Objects，arXiv:2208.01630），因为它们看起来很像飞碟。在彩色图像中，它们看起来非常红，因为所有光线都是红外光，而在人类可以看到的波长下，这些星系是不可见的。

红外观测是韦布望远镜的“超能力”，让它能够窥探距离我们最遥远的星系。对于宇宙大爆炸后形成的第一批恒星和星系，它们发射出的紫外线和可见光会在扩张的宇宙中被拉伸，到达我们这里时，是以红外线的形式存在的。

难以置信的早期大质量星系

纳尔逊的所有星系看起来都像飞碟，但有一个例外。拉贝盯着屏幕上的小红点看，那不是UFO。他警觉地意识到：它非同寻常，也更加重要。

在小点上运行分析软件后，它输出了两个数字：距离131亿光年，质量1000亿颗恒星，拉贝差点把刚喝进嘴的咖啡喷出来。他们发现了“不可能”：不可能如此早期也不可能如此大质量的星系。

在这样的距离上，光需要131亿年才能到达我们，所以我们在看到这些星系时，宇宙只有7亿岁，仅为其当前的138亿年龄的5%。如果这是真的，这个星系形成了与我们现在的银河系所拥有的相同数量的恒星。这打破了时间记录。

如果这是真的，一定不只有一个这样的星系。一天之后，拉贝一共找到了6个。

6张可能存在的大质量星系图片，拍摄自宇宙大爆炸后的5亿至8亿年。图片来源：NASA / ESA / CSA / I. Labbe

天文学的缺失环节？

我们是否已经发现了天文学的缺失环节？星系形成一直存在着一个长期的谜团。当我们在空间和时间上进行观察时，我们看到在宇宙大爆炸后约15亿年左右，完全形成、成熟的星系“尸体”似乎是突然出现的。

这些星系已经停止了新恒星的孕育，我们称之为“死亡星系”，一些天文学家对它们非常着迷。这些死亡星系的恒星年龄表明，它们必定形成于宇宙更早期的阶段，但哈勃一直以来没能发现它们更早期的生长阶段。

早期的死亡星系是真正奇怪的存在，它们装满了如银河系所拥有的一样多的恒星，但体积又只有银河系的三十分之一。就好比一个体重200斤的成年人，身高只有6厘米，这些小红点也是同样奇怪的存在，它们看起来像是同类型星系的迷你版本，拥有巨大的体重和迷你的身高。

恒星太多，太早

然而，这里有一个问题。这些小红点拥有的恒星是在太多太早了。恒星最初由氢气形成，而基本宇宙理论，也就是“大爆炸理论”（The Big Bang Theory），对形成恒星的可用气体量做出了严格的预测。

要如此快地形成这些星系，几乎须要将宇宙中的所有气体转变为恒星，效率近乎100%。而这是极其困难的，对科学领域来说是不可能的。这一新发现可能会改变我们对宇宙最早期星系形成方式的理解。

这6个星系及其周围的太空。图片来源：NASA / ESA / CSA / I. Labbe

结论就是，存在一种不同的途径，一种“快速通道”，可以非常迅速、非常高效地形成巨型星系。一条面向前1%的快车道。

从某种意义上说，每一个候选星系都可以被认为是“黑天鹅”。哪怕能确认其中一个是真的，也会就此排除我们当前的“所有天鹅都是白色的”星系形成模型：在这个模型中，所有早期星系都缓慢而渐进式地成长。

检查指纹

解决这个谜团的第一步，是通过光谱学来确认距离，研究人员将每个星系的光线通过棱镜分散成类似于彩虹的光学指纹。从而获得以0.1%为精度的距离数据。

它还将告诉我们产生这些光的是什么，是恒星还是什么更特别的东西。

恰好在大约一个月以前，韦布望远镜已经瞄准了6个候选大质量星系的其中一个，结果证明它是一个遥远的幼年类星体。类星体（quasar）是一种现象，当气体落入一个星系中心的超大质量黑洞时，会发出明亮的光芒。

这实际上非常令人兴奋，因为我们还不理解星系中超大质量黑洞的起源，找到幼年类星体可能是关键。另一方面，类星体可以比其整个主星系更亮，因此我们不可能判断那里有多少颗恒星，以及星系质量是否真的如此之大。

对于其他5个候选星系来说，是否都是如此？幼年类星体无处不在吗？或许不是，但我们还需要一年的时间来调查剩余的星系，找出答案。

一只黑天鹅坠落了，还有五只。

参考来源：

[1] https://theconversation.com/we-just-discovered-the-impossible-how-giant-baby-galaxies-are-shaking-up-our-understanding-of-the-early-universe-200343

[2] https://www.nature.com/articles/s41586-023-05786-2

[3] https://arxiv.org/abs/2208.01630