挑战宇宙时间线的发现

来自14个国家的48位天文学家组成的国际团队揭示了一项可能重塑我们对宇宙在最早时期如何组建自身理解的发现。利用NASA的James Webb Space Telescope与位于智利的Atacama Large Millimeter/submillimeter Array的观测数据，研究人员已识别出约70个尘埃、恒星形成星系，位于可观测宇宙的最边缘，其中大部分从未被检测过。

这些星系不仅古老，它们似乎在大爆炸后的前十亿年内积极形成恒星，当时宇宙的年龄不到其现在年龄的7%。它们的存在，尤其是其尘埃、富金属的特性，表明恒星诞生和死亡的过程在当前理论模型预测宇宙应该更加原始的时代已经在进行。

这项研究于2026年2月20日发表在《天体物理学杂志通讯》上，由马萨诸塞大学阿默斯特分校主导，代表了近年来对星系形成标准模型最重大的观测挑战之一。

JWST和ALMA如何联手合作

这一发现得以实现是因为结合了两个有史以来最强大的天文仪器的互补优势。ALMA是一个由66个射电天线组成的网络，分布在Atacama沙漠，海拔5000米，擅长探测充斥于恒星形成星系中的冷尘埃和气体。JWST绕太阳运行，位于第二拉格朗日点距地球150万公里处，在近红外波长提供无与伦比的灵敏度，揭示了被宇宙膨胀拉伸的古老星光。

研究小组首先使用ALMA识别了约400个明亮、尘埃星系的更广泛群体。从这个样本出发，他们转向JWST的近红外仪器来精确定位约70个出现在极端距离处的暗候选体。随后小组返回ALMA数据，采用称为堆叠的技术，结合多个暗淡观测来建立统计上显著的信号，确认这些物体确实是约130亿年前形成的尘埃星系。

这种迭代方法，在两个工作于不同波长范围的望远镜之间往返，体现了现代天文学中日益推动最具影响力发现的多设施科学类型。

为什么尘埃如此重要

对于普通观察者，尘埃似乎是星系的一个不起眼特征。然而在天体物理学中，尘埃包含深刻的信息。宇宙尘埃由重元素组成，在天文学术语中称为金属，这些元素只能在恒星内部通过核聚变产生，然后在这些恒星因超新星爆炸而死亡时散布到周围气体中。

在宇宙前十亿年的星系中存在显著尘埃这一事实具有惊人的含义。这意味着多代恒星必定已经诞生、生活并死亡。足够大的恒星能产生重元素并以超新星结尾，通常只能活几百万年，但恒星诞生、富集和尘埃生成的整个循环仍然需要大量时间，特别是当循环重复多代时。

现有的星系形成模型通常预测这种化学富集程度不应该这么早出现。标准图景设想最初的星系是相对纯净的氢和氦集合体，在数十亿年内逐渐积累金属。在前十亿年内发现70个星系已经完成多个恒星演化循环挑战了这个有序的时间线。

星系演化中的缺失环节

研究小组相信这些尘埃星系可能代表了星系演化故事中的关键缺失环节。近年来，JWST发现了两个看似矛盾的早期星系群体。一组由紫外线亮星系组成，对于其年轻年龄来说显得惊人地明亮和巨大，可追溯至130.3亿年前。另一组包括早期静止星系，所谓的死星系，已在大爆炸后约20亿年内停止形成恒星。

这两个群体之间的差距令天文学家困惑。明亮、积极形成恒星的星系如何过渡到死亡、静止的星系？新发现的尘埃星系可能填补了这个空隙。它们的厚重尘埃会遮挡紫外光，使其在专注于紫外亮物体的调查中不可见，而它们持续的恒星形成使它们不同于静止群体。

如果这种解释是正确的，进化序列将从紫外亮星系到尘埃恒星形成星系到静止死星系，尘埃阶段代表中间阶段，在此阶段，强烈恒星形成逐渐耗尽可用气体供应，同时产生在恒星诞生之火熄灭很久后仍将存在的重元素。

对宇宙学模型的影响

这一发现的影响远超星系演化。描述宇宙大尺度结构和演化的标准Lambda Cold Dark Matter模型对物质应该多快坍缩成星系以及这些星系应该多快增长做出了具体预测。早期宇宙中大量巨大、成熟星系的过剩可能表明该模型的参数需要调整，或基本物理过程在年轻宇宙中的运作方式不同。

正在探索几种可能的解释。一种是宇宙的初始条件，可能与暴胀或暗物质的性质有关，对快速结构形成更加有利。另一种是恒星形成本身的物理在早期宇宙中不同，第一代恒星形成效率更高或质量更大。

第三种可能性是反馈机制，恒星和黑洞通过加热或驱逐周围气体来调节自身形成的方式，在早期宇宙中效果较弱，允许星系更快积累质量。如果证实，这些解释中的任何一个都将代表对宇宙学理解的重大修正。

多波长天文学的力量

这一发现也强调了在多个波长观测宇宙的至关重要性。尘埃星系本质上在光学和近红外调查中很难检测，因为尘埃吸收并重新辐射星光在更长波长处。没有ALMA的毫米波长能力，这70个星系将保持不可见，它们对宇宙普查的贡献完全未被考虑。

含义是令人清醒的。如果在这项研究检查的天空小片中发现了70个这样的星系，整个天空的总人口可能是巨大的。早期宇宙可能在形成恒星和建造星系方面明显比任何当前调查所揭示的更活跃，仅仅因为最具生产力的工厂笼罩在尘埃中，对发现其邻近体的仪器不可见。

接下来会发生什么

研究小组计划对最有希望的候选体进行分光后续观测，使用JWST的分光仪测量它们的精确距离、化学成分和恒星形成率。这些测量将确定星系是否真的位于光度数据所暗示的极端距离，或是否部分可能是靠近伪装成古老的物体。

如果距离得到确认，这70个尘埃星系样本将成为理解宇宙历史前十亿年的基石数据集。理论学家将需要解释这么多星系如何在如此短的时间内达到如此高级的演化状态，而观测天文学家将需要调查更大的天空区域以确定这些物体的实际常见程度。

看来宇宙在建造星系方面远比任何人预测的更加匆忙。理解为什么可能需要重新思考现代宇宙学中一些最基本的假设。

本文基于Space.com的报道。阅读原文。