宇宙学的标准模型在望远镜的惊人发现中幸存下来

宇宙学的裂缝应该需要一段时间才能出现。 但是当詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 去年春天打开它的镜头时，非常遥远但非常明亮的星系立即闪耀到望远镜的视野中。 “他们是如此愚蠢地聪明，他们只是脱颖而出，”说 罗汉奈杜，麻省理工学院的天文学家。

这些星系与地球的明显距离表明它们在宇宙历史中形成的时间比任何人预期的要早得多。 （距离越远的东西，它发出的光发出的时间越长。） 疑虑纷至沓来，但在 330 月，天文学家证实，一些星系确实像它们看起来的那样遥远，因此也像它们看起来的那样原始。 这些已确认的星系中最早的一个在大爆炸后 XNUMX 亿年发光，使其成为宇宙中已知最早结构的新记录保持者。 那个星系相当暗淡，但松散地与同一时期挂钩的其他候选者已经闪耀着光芒，这意味着它们可能是巨大的。

大爆炸后这么快，恒星怎么会在过热的气体云中点燃？ 他们怎么能仓促地将自己编织成如此巨大的引力束缚结构？ 寻找如此大、明亮、早期的星系似乎类似于在前寒武纪地层中寻找一只兔子化石。 “早期没有什么大事。 做大事需要一段时间，”他说 迈克·博伊兰-科尔钦，德克萨斯大学奥斯汀分校的理论物理学家。

天文学家开始质疑大量早期大物体是否违背了目前对宇宙的理解。 一些研究人员和媒体声称，该望远镜的观测结果打破了宇宙学的标准模型——一组经过充分测试的方程式，称为 lambda 冷暗物质或 ΛCDM 模型——激动人心地指出了新的宇宙成分或支配定律。 然而，很明显，ΛCDM 模型是有弹性的。 JWST 的发现并没有迫使研究人员改写宇宙学规则，而是让天文学家重新思考星系是如何形成的，尤其是在宇宙诞生之初。 望远镜还没有打破宇宙学，但这并不意味着过早星系的情况将被证明是划时代的。

更简单的时代

要了解为什么探测到非常早期的明亮星系令人惊讶，这有助于了解宇宙学家对宇宙的了解——或认为他们了解的知识。

大爆炸之后，婴儿宇宙开始冷却。 在几百万年内，充满太空的旋转等离子体稳定下来，电子、质子和中子结合成原子，主要是中性氢。 在被称为宇宙黑暗时代的不确定持续时间里，一切都是安静和黑暗的。 然后发生了一些事情。

大爆炸后飞散的大部分物质是由我们看不见的东西构成的，称为暗物质。 它对宇宙产生了强大的影响，尤其是在一开始。 在标准图片中，冷暗物质（一个术语，意思是不可见的、缓慢移动的粒子）被不分青红皂白地抛向宇宙。 在某些地区，它的分布更加密集，并且在这些地区，它开始坍塌成团块。 可见物质，即原子，聚集在暗物质团块周围。 随着原子也冷却下来，它们最终凝结，第一颗恒星诞生了。 这些新的辐射源为所谓的再电离时代充满宇宙的中性氢充电。 通过引力，更大、更复杂的结构得以生长，形成了一个巨大的宇宙星系网。

同时，一切都在飞散。 天文学家埃德温·哈勃 (Edwin Hubble) 在 1920 年代发现宇宙正在膨胀，而在 1990 年代后期，与他同名的哈勃太空望远镜发现了宇宙正在加速膨胀的证据。 将宇宙想象成一条葡萄干面包。 一开始是面粉、水、酵母和葡萄干的混合物。 当您混合这些成分时，酵母开始呼吸，面包开始发酵。 随着面包的膨胀，其中的葡萄干——星系的替代品——彼此之间的距离越来越远。

哈勃望远镜看到面包上升得越来越快。 葡萄干以违反其引力的速度飞散。 这种加速似乎是由空间本身的排斥能量驱动的——所谓的暗能量，用希腊字母Λ（发音为“lambda”）表示。 将 Λ、冷暗物质、常规物质和辐射的值代入阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论的方程式中，您将得到一个宇宙如何演化的模型。 这种“λ 冷暗物质”(ΛCDM) 模型与几乎所有的宇宙观测相匹配。

检验这幅图景的一种方法是观察非常遥远的星系——相当于时光倒流回到开始这一切的巨大掌声之后的最初几亿年。 那时宇宙更简单，它的演化更容易与预测进行比较。

1995 年，天文学家首次尝试使用哈勃望远镜观察宇宙最早的结构。在 10 多天的时间里，哈勃在北斗七星中拍摄了 342 次看似空旷的空间。 天文学家对隐藏在漆黑的黑暗中的丰富性感到惊讶：哈勃望远镜可以看到数千个处于不同距离和发展阶段的星系，可以追溯到比任何人预期的更早的时代。 哈勃望远镜将继续寻找一些极其遥远的星系——2016 年，天文学家 找到了最远的一个，称为 GN-z11，这是一个微弱的污点，他们将其追溯到大爆炸后 400 亿年。

这对于一个星系来说出人意料地早，但它并没有对 ΛCDM 模型产生怀疑，部分原因是该星系很小，质量仅为银河系的 1%，部分原因是它是独立存在的。 天文学家需要一台更强大的望远镜来观察 GN-z11 是一个古怪的星系还是大量令人费解的早期星系的一部分，这可能有助于确定我们是否遗漏了 ΛCDM 配方的关键部分。

莫名的遥远

以美国宇航局前领导人詹姆斯韦伯的名字命名的下一代太空望远镜， 于 2021 年圣诞节推出. 一旦 JWST 被校准，来自早期星系的光就会滴落到它敏感的电子设备中。 天文学家发表了大量描述他们所见所闻的论文。

研究人员使用一种多普勒效应来测量物体的距离。 这类似于根据警报器确定救护车的位置：警报器接近时音调较高，而后退时音调较低。 一个星系离我们越远，它离开我们的速度就越快，因此它的光会延伸到更长的波长并且看起来更红。 这种“红移”的大小表示为 z，其中给定值 z 告诉你一个物体的光必须传播多长时间才能到达我们这里。

最早的论文之一 JWST 的数据来自麻省理工学院的天文学家 Naidu 和他的同事，他们的搜索算法标记了一个看起来莫名其妙的明亮和无法解释的遥远的星系。 Naidu 将其命名为 GLASS-z13，表明它的视距为 13 红移——比以前看到的任何东西都远。 （该星系的红移后来被修正为 12.4，并更名为 GLASS-z12。）从事 JWST 各种观测的其他天文学家报告的红移值从 11 到 20，包括 一个名为 CEERS-1749 的星系 或 CR2-z17-1，它的光似乎在 13.7 亿年前离开了它，也就是大爆炸后仅 220 亿年——在宇宙时间开始后几乎一眨眼。

这些假定的检测表明，称为 ΛCDM 的简洁故事可能是不完整的。 不知何故，星系立刻变大了。 “在早期宇宙中，你不会期望看到巨大的星系。 它们没有时间形成那么多恒星，它们也没有融合在一起，”英国朴茨茅斯大学的天体物理学家克里斯·洛弗尔说。 事实上，在 一项研究 研究人员于 XNUMX 月发表，分析了 ΛCDM 模型支配的宇宙的计算机模拟，发现 JWST 的早期明亮星系比模拟中同时形成的星系重一个数量级。

一些天文学家和媒体声称 JWST 正在打破宇宙学，但并不是每个人都相信。 一个问题是 ΛCDM 的预测并不总是明确的。 虽然暗物质和暗能量很简单，但可见物质具有复杂的相互作用和行为，没有人确切知道大爆炸后的最初几年发生了什么； 那些疯狂的早期时代必须在计算机模拟中进行近似。 另一个问题是很难准确判断星系的距离。

在第一篇论文发表后的几个月里，人们重新考虑了一些所谓的高红移星系的年龄。 有些是 降级 由于更新的望远镜校准，到宇宙演化的后期阶段。 CEERS-1749 被发现在天空中包含一个星系团的区域，这些星系团的光在 12.4 亿年前发出，Naidu 说这个星系实际上可能是这个星系团的一部分——一个更近的闯入者，可能充满了尘埃，使得它看起来比实际更红移。 根据 Naidu 的说法，CEERS-1749 无论距离多远，都很奇怪。 “这将是一种我们不知道的新型星系：一个质量非常低的微小星系，不知何故在其中积聚了大量尘埃，这是我们传统上不会想到的，”他说。 “可能只是这些新型物体混淆了我们对非常遥远的星系的搜索。”

莱曼突破

每个人都知道，最明确的距离估计需要 JWST 最强大的功能。

JWST 不仅通过光度学或测量亮度来观察星光，而且还通过光谱学或测量光的波长来观察星光。 如果光度观察就像人群中一张人脸的照片，那么光谱观察就像可以告诉个人家族史的 DNA 测试。 Naidu 和其他发现大型早期星系的人使用基于亮度的测量方法测量红移——本质上是使用非常好的相机观察人群中的面孔。 这种方法远非无懈可击。 （在美国天文学会 XNUMX 月的一次会议上，天文学家打趣说，仅用光度法观察到的早期星系中可能有一半会被精确测量。）

但在 XNUMX 月初，宇宙学家 公布 他们将这两种方法结合起来用于四个星系。 JWST 高级河外深部调查 (JADES) 团队搜索了红外光谱在称为莱曼断裂的临界波长处突然截止的星系。 发生这种断裂是因为漂浮在星系之间的空间中的氢吸收了光。 由于宇宙的持续膨胀——不断上升的葡萄干面包——遥远星系的光发生了偏移，因此突然中断的波长也发生了偏移。 当一个星系的光似乎以更长的波长衰减时，它就更远了。 JADES 识别出红移高达 13.2 的光谱，这意味着该星系的光是在 13.4 亿年前发出的。

据称，一旦数据被下载下来，JADES 的研究人员就开始在一个共享的 Slack 小组中“吓坏了” 凯文海林，亚利桑那大学的天文学家。 “就像，'天哪，天哪，我们做到了我们做到了我们做到了！'”他说。 “这些光谱只是我认为将成为改变天文学的科学的开始。”

布兰特·罗伯逊加州大学圣克鲁兹分校的 JADES 天文学家表示，研究结果表明，早期宇宙在其最初的十亿年里变化迅速，星系的演化速度比今天快 10 倍。 这类似于“蜂鸟是一种小动物，”他说，“但它的心跳如此之快，以至于它过着一种与其他生物不同的生活。 这些星系的心跳发生在比银河系大小的东西快得多的时间尺度上。”

但他们的心跳是否太快以至于 ΛCDM 无法解释？

理论可能性

当天文学家和公众对 JWST 图像目瞪口呆时，研究人员开始在幕后工作，以确定闪烁到我们视野中的星系是否真的颠覆了 ΛCDM，或者只是帮助确定了我们应该代入其方程式的数字。

一个重要但鲜为人知的数字涉及最早星系的质量。 宇宙学家试图确定它们的质量，以确定它们是否符合 ΛCDM 预测的星系增长时间表。

星系的质量来源于它的亮度。 但 梅根·多纳休，密歇根州立大学的天体物理学家，他说，质量和亮度之间的关系充其量只是一种有根据的猜测，基于从已知恒星和经过充分研究的星系中收集到的假设。

一个关键假设是恒星总是在一定的质量统计范围内形成，称为初始质量函数 (IMF)。 这个 IMF 参数对于从亮度测量中收集星系质量至关重要，因为炽热、蓝色、重的恒星会产生更多的光，而星系的大部分质量通常被锁定在冷的、红色、小的恒星中。

但有可能 IMF 在早期宇宙中有所不同。 如果是这样，JWST 的早期星系可能不会像它们的亮度所暗示的那样重； 它们可能很亮但很轻。 这种可能性会让人头疼，因为将这种基本输入更改为 ΛCDM 模型几乎可以为您提供任何想要的答案。 洛弗尔说，一些天文学家认为摆弄国际货币基金组织是“恶人的领地”。

“如果我们不了解初始质量函数，那么了解高红移星系确实是一个挑战，”说 温迪弗里曼，芝加哥大学的天体物理学家。 她的团队正在研究观察和计算机模拟，这将有助于确定不同环境中的 IMF。

在整个秋天的过程中，许多专家开始怀疑对 IMF 和其他因素的调整可能足以使 JWST 仪器上非常古老的星系照明与 ΛCDM 相一致。 “我认为实际上我们更有可能在标准范式中容纳这些观察结果，”说 雷切尔萨默维尔，熨斗研究所的天体物理学家（就像 广达杂志, 由西蒙斯基金会资助)。 在那种情况下，她说，“我们学到的是：[暗物质] 光环能以多快的速度收集气体？ 我们能让气体冷却并变得致密并形成恒星的速度有多快？ 也许这在早期宇宙中发生得更快； 也许气体密度更大； 也许不知何故，它流入得更快。 我认为我们仍在了解这些过程。”

萨默维尔还研究了黑洞干扰婴儿宇宙的可能性。 天文学家有 注意到 一些红移为 6 或 7 的发光超大质量黑洞，大约在大爆炸后 XNUMX 亿年。 很难想象，到那时，恒星是如何形成、死亡，然后坍缩成黑洞的，黑洞吞噬了周围的一切，并开始喷出辐射。

但是，如果假定的早期星系内部存在黑洞，那就可以解释为什么这些星系看起来如此明亮，即使它们实际上并不是很大，萨默维尔说。

确认 ΛCDM 至少可以容纳 JWST 的一些早期星系是在圣诞节前一天到达的。 领导的天文学家 本杰明·凯勒 在孟菲斯大学 检查 对 ΛCDM 宇宙进行了一些主要的超级计算机模拟，发现这些模拟可以产生与 JADES 团队光谱研究的四个星系一样重的星系。 （值得注意的是，这四个星系比 GLASS-z12 等其他据称的早期星系更小、更暗。）在该团队的分析中，所有模拟都产生了红移为 10 的 JADES 发现大小的星系。一次模拟就可以创建这样的星系红移 13，与 JADES 所见相同，另外两个可以在更高的红移处建造星系。 Keller 及其同事于 24 月 XNUMX 日在预印本服务器 arxiv.org 上报告说，没有一个 JADES 星系与当前的 ΛCDM 范式存在紧张关系。

尽管它们缺乏打破现行宇宙学模型的分量，但 JADES 星系还有其他特殊特征。 海恩莱恩说，他们的恒星似乎没有受到先前爆炸恒星产生的金属的污染。 这可能意味着它们是第 III 族群恒星——热切寻找的第一代曾经点燃的恒星——并且它们可能正在促进宇宙的再电离。 如果这是真的，那么 JWST 已经回溯到宇宙按照目前的轨道运行的神秘时期。

非凡的证据

 其他早期星系的光谱确认可能会在今年春天到来，这取决于 JWST 的时间分配委员会如何分配。 一项名为 WDEEP 的观测活动将专门搜索大爆炸后不到 300 亿年的星系。 随着研究人员确认更多星系的距离并更好地估计它们的质量，他们将帮助解决 ΛCDM 的命运。

许多其他观察已经在进行中，这些观察可能会改变 ΛCDM 的图景。 正在研究初始质量函数的弗里德曼一天晚上凌晨 1 点起床下载 JWST 变星数据，她将这些数据用作测量距离和年龄的“标准烛光”。 这些测量结果可能有助于解决 ΛCDM 的另一个潜在问题，即哈勃张力。 问题在于，目前宇宙的膨胀速度似乎比 ΛCDM 预测的 13.8 亿年宇宙膨胀速度要快。 宇宙学家有很多可能的解释。 也许，一些宇宙学家推测，加速宇宙膨胀的暗能量密度并不像 ΛCDM 中那样恒定，而是随时间变化。 改变宇宙的膨胀历史不仅可以解决哈勃张力，还可以修改给定红移下宇宙年龄的计算。 JWST 可能会看到一个早期星系，因为它出现在大爆炸后 500 亿年而不是 300 亿年后。 Somerville 说，那么即使是 JWST 镜子中最重的假定早期星系也会有足够的时间合并。

当天文学家谈论 JWST 的早期星系结果时，他们用尽了最高级的说法。 他们在谈话中夹杂着笑声、咒骂和感叹，同时他们提醒自己卡尔萨根的格言，无论多么过度使用，非凡的主张需要非凡的证据。 他们迫不及待地想要获得更多图像和光谱，这将帮助他们磨练或调整他们的模型。 “那些是最好的问题，”Boylan-Kolchin 说，“因为无论你得到什么，答案都很有趣。”