为什么一个詹姆斯韦伯太空望远镜秘密并不（一定的）打破宇宙学

詹姆斯韦伯太空望远镜的在宇宙历史早期中很好发展的星系的观测毕竟可能与接受的天文学理论巧合。

HARD SCIENCE — APRIL 24, 2024

Don Lincoln

Credit: David Higginbotham / MSFC / NASA

关键要点

詹姆斯韦伯太空望远镜探测早期星系的红外光来发现关于宇宙进化的线索。

它似乎已经发现了不能被接受的理论解释的星系，导致一些人好奇是否我们的宇宙学的理解是致命的有缺陷的。

然而，最近的一篇论文提出这种差异能被通过重新考虑早期恒星如何形成解释。

2021年圣诞节，一枚阿丽亚娜5号火箭从它的法属圭亚那的发射台上跳跃。坐在火箭的鼻子上的是期待已久的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）。詹姆斯韦伯太空望远镜被设计来执行多项任务，但最重要的任务之一是来研究进入存在的第一批恒星和星系。这架望远镜已经出色的表现了，然而，一些令人不安的观测已经被报告。

当詹姆斯韦伯太空望远镜它第一次观察天空时，它似乎已经发现了被接受的理论完全的不能解释的星系。天文学家担心我们的宇宙的早期时刻的理解被致命的缺陷，宇宙学打破了。一些新闻报道甚至暗示宇宙大爆炸是错误的。

然而，发表在《物理评论快报》上的一篇新论文强烈提示这种差异不在我们的宇宙的进化的理解中而在早期恒星如何形成中。

天文学家长期以来一直认为他们了解星系如何演化。首先形成了相对小的星团。然后这些星系团聚集在一起来产生婴儿星系。然后这些婴儿星系聚合成我们今天看到的巨型星系。这一从第一批恒星到接近成熟的星系的过程被预计要用大约10亿年。

2021年12月25日，星期六，阿丽亚娜5号火箭搭载詹姆斯韦伯太空望远镜发射。(Credit: NASA / Flickr)

因为我们的宇宙大约是140亿岁老，我们需要一个能够窥视回到时间中并收集必要数据来验证这一理论的设施。这就是詹姆斯韦伯太空望远镜进来的地方。

该太空望远镜被设计来探测红外光，在0.6至28.5微米的波长范围内有良好的性能。这个波长是相当长，毕竟不能代表被早期恒星发射的光。真的，早期的恒星是剧热并发射紫外线和蓝光，这远远超出詹姆斯韦伯太空望远镜能看的。

然而随宇宙在亿万年上膨胀，穿过它旅行的光的波长被拉伸，将早期恒星的白热光变成一种看不见的红外线。

在詹姆斯韦伯太空望远镜开始运行仅几周后，天文学家探测到了一个大而明亮的最初被认为在宇宙开始后仅2.5亿年已经存在了的星系。这个星系的名字是CEERS-93316。标准理论预测这样一个星系是不可能的。后续观测探测到了其他很好发展的星系，尽管没有一个是像CEERS-93316这样早的。

确定古代星系的年龄需要一个那个星系发射的光谱的详细测量，而第一次观测并没有使用最精确的仪器来确定CEERS-93316的光谱。在用了更好的仪器后，天文学家发现了CEERS-93316并没有像他们最初想的那么古老，这造成了天文学界中一些宽慰。

然而，其他大星系和几乎同样古老的星系的年龄被进一步分析验证。在宇宙历史的早期，良好发展的星系的存在继续来挑战接受的天文学理论，科学家们开始考虑是否我们的宇宙历史早期的理解需要修正。

这篇新论文提出一个不同的解释是必要的。作者将詹姆斯韦伯太空望远镜数据与久负盛名的哈勃太空望远镜（HST）更早些时候拍摄的数据比较。哈勃太空望远镜可以看到红外光谱的一个大大减少的部分，但有足够的重叠来比较两台望远镜的结果。

如果詹姆斯韦伯太空望远镜数据中出现是大而明亮的早期星系的问题的答案涉及修改星系形成的理论，那么研究人员应该期望来看哈勃太空望远镜数据中一个对应的变化。然而，哈勃太空望远镜的观测结果强烈不利于该理论中的任何变化。

那么，什么可以解释詹姆斯韦伯太空望远镜的观察结果呢？天文学家已经发展了另一种解释。一些研究人员已经提出，不是创造一个宇宙演化的新理论而是巨大的早期恒星的存在可以解释观测到的出乎意料的明亮早期星系。

现代的恒星往往质量上与我们的太阳是可比较的。然而，这些研究人员推测早期宇宙中的恒星质量可能是太阳的一百倍。这样的大质量恒星会是极端的明亮，而相对较少的明亮早期恒星看起来会远像许多更现代的恒星一样。这可以解释早期大质量星系的报道。

建造期间的詹姆斯·韦伯太空望远镜镜片。(Credit: NASA/MSFC/David Higginbotham/Emmett Given)

另一个可能的解决方案涉及氢和氦气云变成恒星的机制。在现代日子，这些云以一种众所周知的概率形成恒星。如果天文学家在最近的星系中看到一定数量的恒星形成，他们能估计星系中氢气的量并确定它的质量。

然而，也许在早期宇宙中恒星形成是效率更高的，它证明了云更容易变成恒星。如果这是真的，那么早期恒星形成的观测会引导天文学家来估计早期星系中的气体云比它们实际上是的更大。结果将是科学家们被愚弄成思考早期星系比现实更大。

虽然对詹姆斯韦伯太空望远镜的观测到明亮早期星系的答案还不知道，但早期星系中恒星形成机制似乎可能不同于现代。如果如此，这意味着没有需要来试图改变我们的早期宇宙中星系形成的理解。宇宙大爆炸理论是错误的报道是完全的早熟。

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