詹姆斯韦伯太空望远镜真的“打破”宇宙学吗？

By Paul Sutter

 published 21 hours ago

James Webb Space Telescope

真相是远更微妙的并远更有趣的。

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 詹姆斯·韦伯太空望远镜深场图像显示了从来见到的最早、最遥远的星系。(Image credit: NASA, ESA, CSA, and STScI)

在詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）开始它的科学运行后不久，天文学家宣布了他们已经在早期宇宙中发现了对它们的年龄太大、太亮、太多恒星的星系。虽然世界各地的头条新闻都声称这些星系正在“打破”我们的大爆炸的理解，但真相是远更微妙并且远更有趣的。

大爆炸理论是我们的宇宙历史的总体图片，从它的深过去开始，当时宇宙是比它今天远更小、更热、密度更大。该模型最初于20世纪初开发已经存活了观测测试的轰击并且极端善于解释各种宇宙学观测，包括来自遥远星系的光的红移、宇宙微波背景形式的剩余辐射的出现、轻元素的丰度以及星系和更大结构的演化。

虽然大爆炸理论不能肯定说哪些星系会出现在哪里，但它能谈论概率。例如，宇宙学家能粗略地说在一个给定的宇宙的某个年龄体积内应该出现多少个小星系、多少个中等星系和多少个大星系。但直到詹姆斯·韦伯太空望远镜为止，我们已经没有直接观测到星系演化的最早阶段——某些望远镜被明确设计来研究的东西。

2022年，天文学家宣布了他们已经发现了令人惊讶的、诡异的大的极端遥远星系。他们已经测量到这些星系的红移超过16，隐含这些星系在大爆炸后刚好2亿至2.5亿年存在。然而，它们是巨大的并出现是完全的成形的有螺旋臂和一切。

这些星系似乎远在大爆炸理论的预期之外；它们就像在一个幼儿园的教室里找到了青少年一样。如此什么正在发生？

弯曲的宇宙学

硬着头皮的头条新闻宣告大爆炸理论的终结。但这些故事遗漏了一个关键的细节：天文学家通过一种叫光度法的技术估计了这些难以置信不确定的星系的红移。全面评估这些星系“打破”宇宙学的能力将不得不等待一个它们的红移的更精确测量，因此它们的年龄。

几个月后当这些更精确的测量结果最终出现时，这些星系从破纪录的星系变成了……正常的星系。例如，一个星系的红移被从16以上修正为4.9，移动它的年龄从大爆炸后的2.4亿年胀到超过10亿年。这不止是让正常的大爆炸理论来解释它们的大小和形状。

但伴随着这些不太令人兴奋的修订来到了一些其他星系的新的红移肯定，包括目前已知最遥远的星系JADES-GS-z14-0，有一个为14.32的红移。当宇宙仅2.9亿岁老时这个星系好好活着。

天文学家完全预计星系将在大爆炸后2.9亿年存在；这是为什么他们建造了詹姆斯·韦伯太空望远镜。随着星系发展，JADES-GS-z14-0肯定是一个幼年星系——它的直径只有1600光年，相比银河系的直径为100000光年。但有趣的是这个星系是相当明亮充满了恒星——不足以彻底打破宇宙学，但足以开放一些关于宇宙中第一批星系起源和发展的问题。

构建宇宙学

大爆炸理论是错误的是相当可能的；科学家必须保持心智纪律来承认这种可能性。但它之后有如此丰富的证据，大爆炸不太可能被从一个单一观测退位。值得重申的是詹姆斯·韦伯太空望远镜正在做我们设计和建造它来做的事情：回答一些关于第一批恒星和星系如何出现的悬而未决的问题。

宇宙学家将能够在大爆炸的框架内不必做出任何重大修改解释像JADES-GS-z14-0这样的星系的出现是完全的有可能的。例如，大黑洞可能在这些星系出现之前已经出现了，它们的超强的引力吸引可能已经引发了明亮的恒星形成爆发。或者，超新星反馈和其他机制造成了第一批星系比现在日子的星系更富有恒星，使这些早期星系尽管它们的小体积出现巨大的。

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或者，我们的最初观测被偏向朝向这些小而明亮的异常值，进一步的活动将揭示更多群的更平凡星系，这样降低与星系形成模型的紧张关系。

最后，也许我们需要为宇宙添加一些新的成分，比如允许暗能量随着时间进化，来在如此早期产生这些种类的星系。

这靠它自己足够令人兴奋，不需要来颠覆我们所知道的大爆炸。在宇宙内有不止足够多的秘密和隐藏的角落来让天文学家夜以继日的好奇着关于这种可能性，并在早上继续工作在如何来解决这些问题上。