不应该存在的星系
自James Webb Space Telescope开始提供其首批深场观测以来，天文学家们面临一个持续不安的谜题：早期宇宙包含的星系过于巨大，无法符合标准的宇宙学模型。新的研究现在提供了潜在的解释，说明巨大星系如何可能在Big Bang后仅14亿年时形成——这个时间框架之前被认为对于如此大规模的结构形成来说短得不可能。
根据标准宇宙学模型，星系通过逐步的分层集聚过程形成。小物质团块在数十亿年内合并，形成逐步更大的结构，像我们自己的Milky Way这样的巨大星系需要许多数十亿年的合并和吸积才能达到其当前大小。一个与Milky Way质量相当的星系在Big Bang后不到15亿年时存在，就像在昨天种植的森林中找到一棵成熟的橡树一样。
James Webb Telescope揭示了什么
James Webb Space Telescope (JWST)于2021年12月发射，专门设计用来观测宇宙中距离最远——因此最古老的——物体。其红外摄像机可以检测到在宇宙历史前几亿年形成的星系的光，这些光在超过130亿年的宇宙膨胀中被拉伸到红外波长。
在其观测的第一年内，JWST识别了几个处于极端距离的候选星系，这些星系似乎包含的恒星质量远超预期。随后进行的更深层次的观测和分光镜确认加强了这些物体确实是巨大的和真正古老的情况，排除了天文学家最初提出的许多替代解释。
最近的分析表明，其中一些早期星系包含数百亿个太阳质量的恒星——与一个实质性的现代星系相当——在宇宙仅为其当前年龄十分之一的时候。这对现有的星系形成模型构成了严峻的挑战。
提议的解释
已经提出了几种机制来解释如何会发生如此迅速的星系形成。一个主要假设涉及早期宇宙中异常高效的恒星形成。标准模型假设在任何给定时间，只有一小部分可用气体被转化为恒星，其余的被恒星反馈过程（如超新星和辐射压）加热和散开。如果早期宇宙中的条件允许更高的恒星形成效率——也许是由于更高的气体密度或不同的反馈动力学——那么巨大的星系可能会比预期更快地组装。
另一种可能性涉及supermassive black holes的作用。有越来越多的证据表明，大质量黑洞在宇宙历史的很早阶段就存在，这些物体可能通过吸取大量气体并在其宿主星系中触发强烈的恒星形成来加速星系增长。早期supermassive black holes与其宿主星系之间的关系是河外天文学中最活跃的研究领域之一。
第三种解释涉及对标准宇宙学模型本身的修改。一些物理学家建议，早期大质量星系的丰富度可能是不同dark matter性质或宇宙膨胀替代模型的证据。虽然这些提议仍然具有推测性，但观测与理论之间的张力足以值得认真调查。
- JWST已识别在Big Bang后仅14亿年时存在的拥有数百亿个太阳质量的星系
- 标准分层组装模型预测，这样的大质量星系应该需要许多数十亿年才能形成
- 可能的解释包括更高的恒星形成效率、早期supermassive black holes或对宇宙学模型的修改
- 分光镜确认已排除了许多关于这些观测的替代解释
对宇宙学的含义
意外巨大早期星系的发现具有远超星系形成研究范围的含义。如果宇宙学的标准模型无法容纳这些观测，它可能指向我们对基础物理理解中的空白——可能涉及dark matter的性质、dark energy的行为或极早期宇宙的物理。
宇宙学家通常对基于相对较少观测数量宣布标准模型危机持谨慎态度。之前JWST数据与宇宙学预测之间的明显张力有时已通过更仔细地分析系统不确定性（如恒星质量估计的校准或尘埃遮蔽的影响）得到解决。
然而，来自使用不同分析技术的多个独立研究的证据积累使得将这些观测视为假工件变得越来越困难。科学界正在汇聚于这样的观点：即使标准宇宙学模型在根本上并非错误，它至少在描述第一个十亿年内结构形成的方式方面是不完整的。
下一代观测的角色
解决大质量早期星系的谜题将需要更好的观测和更好的理论模型。在观测方面，正在进行的JWST计划正在建立更大的早期星系统计样本，这将有助于区分真正的异常和统计流星。地基望远镜，包括智利即将推出的Extremely Large Telescope，将提供补充的分光镜数据。
在理论方面，天文学家正在运行越来越复杂的星系形成计算机模拟，这些模拟纳入了更现实的物理。这些模拟开始探索是否调整关于恒星形成效率、反馈过程或宇宙初始条件的假设可以自然地产生JWST观测到的大质量早期星系。
从令人困惑的少数观测开始的事物已经成长为现代天文学中最引人注目的开放问题之一。当答案出现时，它可能会重塑我们对宇宙如何从原始黑暗组装成我们今天观测到的丰富星系织锦的理解。
本文基于Universe Today的报道。阅读原始文章。
