新发现,这个世界从一开始就是错的?

近日,《自然》杂志发表了一项最新研究。天文学家从詹姆斯·韦布空间望远镜传回的图像中,发现了六颗奇怪的红色星系,其质量与银河系相当。

这些星系可能拥有数百亿甚至数千亿倍太阳质量的恒星

(图:NASA)▼

500

但诡异之处在于,红移测量表明,它们的光竟然来自130多亿年前!而宇宙诞生至今也不过约138亿年。

那时宇宙中第一批恒星才刚刚形成,大如银河系的星系根本不可能出现在那个地方。此项结果若被证实,意味着现有的宇宙学和星系形成理论将面临挑战。

韦布望远镜的观测上限超过哈勃望远镜很多

(参考:Quantamagazine)▼

500

在130亿年前的宇宙中凭空出现的星系“巨兽”到底是什么?为什么它们的发现会引起如此激烈的关注?我们首先根据现有的理论,来看看星系是如何形成的。

“贪吃蛇”宇宙玩家

如同达尔文的进化论认为生命不是被先天创造,而是由简单到复杂慢慢演化而来一样。现代宇宙学认为,所有的星系与恒星也不是亘古如此,而是在138亿年前“宇宙大爆炸”之后漫长时间里的产物。

回到138亿年前,星系与恒星尚未形成,宇宙处于数亿年的“黑暗时代”中。那时,除掉暗能量和背景辐射,宇宙的物质部分主要有大爆炸后产生的氢与氦组成的气体,约占15%;以及暗物质,约占85%。

大爆炸之后,宇宙中的大部分重子物质冷却形成中性氢

这个过程光子被释放,成为今天的宇宙微波背景辐射

宇宙进入黑暗时代(图:wiki)▼

500

占主导地位的暗物质受引力相互作用逐渐聚集,形成一个个“暗物质晕”。而气体则落入暗物质晕的引力势阱中,并通过电磁辐射进一步冷却、凝聚。

大爆炸后约4亿年,第一代恒星开始从气体中形成,恒星和创造恒星的气体凝结在暗物质晕中心,形成星系的种子。这时的场景很像一个胚胎,暗物质晕像包裹和保护星系的“蛋白”,而星系就是其中的“蛋黄”。

暗物质不会吸收、反射或发出光

人们目前只能透过引力产生的效应间接观测到它的存在

(图:wiki)▼

500

之后,星系可以通过两种方式不断成长。一种是平缓地收集周围宇宙环境中的气体,逐渐生成新的恒星而变大。

另一种则较为暴力,由于引力的互相吸引,稍大一些的星系可能直接吞并附近稍小的星系使自己长大。也有可能两个差不多大的星系撞到一起,经过剧烈的融合成为一个全新形态的星系。

两个星系恰好迎头相撞,形成了一个罕见的轮状星系

(右边这个大家伙)(图:NASA)▼

500

听起来是不是很耳熟?每一个星系自幼就是宇宙级“贪吃蛇”玩家。我们的银河系也是这样,从130多亿年前幼小的星系种子,经历千难万险,不断打怪升级,幸存至今,最终成为一个包含上千亿颗恒星的庞大系统。

并且,银河系仍储存着大量的气体,正在不断制造新的恒星。而在银河系周围,还吸引了十几个大块头的卫星星系环绕运行,等待成为未来的食物。

银河系卫星星系中,比较著名的就是大麦哲伦星系(LMC)

和小麦哲伦星系(SMC)(图:wiki)▼

500

但是也不能高兴得太早。据观测显示,银河系正在和离我们最近的仙女座大星系互相靠近,预计将于40亿年后发生碰撞。由于二者体量相近,最终会合并成一个巨大的椭圆星系。

幸而星系的碰撞并不是像刚体碰撞那样的“硬碰硬”,由于恒星之间存在巨大的空隙,我们的太阳系并不会因此遭受致命的灾难。相反,那时的人类,将有望看到有史以来最壮观的夜空

模拟照片展示了银河系和仙女座两大星系交融的过程

(图:NASA) ▼

500

20世纪20年代,著名天文学家埃德温·哈勃通过大量的观测,根据形态对星系进行了分类和研究。哈勃将星系分为漩涡星系椭圆星系不规则星系三大类,再进一步根据椭率或旋臂状态分为不同的次型。

哈勃这套分类法被称为哈勃序列,也叫哈勃音叉分类法

(图:wiki)▼

500

星系丰富多样的形态和颜色来源于它们各自独特的成长及并合历史。比如,年轻的星系颜色较蓝,表明它们仍包含大量的冷气体,正在生产恒星,新生的恒星群会发出更多蓝色的辐射

而在年老的星系中,气体匮乏,新的恒星不再形成,只剩下老旧的恒星,辐射偏红

颜色越蓝的星寿命越短

长寿的基本都是红矮星、褐矮星 

(参考:wiki)▼

500

如果星系在形成时,处于不均匀的宇宙环境中,物质更多地沿着某个特定的方向被吸入,则可能带来角动量,形成漩涡星系

而居于超大星系团C位的中央星系,则往往是巨椭圆星系,它在漫长的历史中,通过胡乱吞并大量卫星星系而形成。

至于大星系周围将被捕食的矮星系,它们受到宿主星系的强烈影响,会被扭曲甚至撕裂出长长的潮汐尾。

蝌蚪星系被撕扯出的潮汐尾

(图:wiki)▼

500

当一个星系吞并另一个星系时,新物质的进入有可能为星系的生长提供大量的气体燃料,引发剧烈的恒星形成,这就是星暴星系。但这种情况也有可能适得其反,导致消化不良,反而猝灭自身的恒星形成活动。

星暴星系,伴随着诞生与湮灭的极致暴力美学

(图:wiki)▼

500

凭借飞速发展的计算机数值模拟技术,近年来,天文学家已经能在计算机上再现从宇宙大爆炸之后极早期直到今天,长达130亿年的时间里,宇宙结构形成及星系演化的历史,并利用不断细化的模型还原星系内部复杂的物理过程。

目前最新的高精度宇宙学数值模拟IllustrisTNG50

一个星系跌宕起伏的演化历史,经历吸积、并合、撕裂、重组,最终从一个漩涡星系转型为椭圆星系

(来源:tng-project.org)▼

500

500

时空隧道,洞穿宇宙

随着望远镜技术的不断进步,天文学家也尝试通过观测真实宇宙中的星系样本,验证和优化关于星系形成与演化的理论模型。

我们知道,由于光速的有限性,在天文观测中看得越远,就能看到越久以前的时间。在星系尺度上,人类的视野已经拓展到百亿光年之外,回溯的时间正在接近整个宇宙的年龄。

2012年,哈勃空间望远镜积累十年的观测结果,拍摄了一张“哈勃极深场”(Hubble eXtreme Deep Field, HXDF)。

这张照片,蕴藏了科学家们不少的重大发现

(图:NASA)▼

500

500

这张照片中包含了5500个遥远的星系,其中最暗的星系亮度是人类肉眼可见极限的100亿分之一,而最远的星系距离也已经超过了100亿光年,那时仍是宇宙的幼年。

天文学家发现,远处的星系和近处相比,其性质已经出现了系统性的差别。

我们的天球视野已经接近了视界的边缘

有机会看到更为混沌、原始的宇宙面貌

(图:wiki)▼

500

比如,远处的星系更加密集,星系间碰撞并合的景象更加频繁。这是因为在100亿年前,宇宙还没有膨胀得像今天那么大,宇宙空间显得更加拥挤

通过这样的远近星系样本的对比,我们实际上已经看到了凝固在时间长河中、真实宇宙里的星系如何演化至今的过程。这是一条真正意义上的时空隧道。

上百亿年是韦布的极限,但或许不是宇宙的极限

(参考:BBC)▼

500

哈勃望远镜能让我们一直看到星系形成的起点吗?很遗憾,因为宇宙越早期,星系离我们越远,质量也越小,因此迅速变暗

此外,由于宇宙膨胀,远处星系发出的光在传到地球的过程中波长会被拉长,导致越远的星系看起来越红,直到成为红外线

这一现象,被称为红移,在韦布望远镜超深场照片中

框中的Glass-13星系红移数值z甚至达到了13

(图:NASA/CSA/ESA/STScl)▼

500

而哈勃望远镜主要工作在光学波段。为了继续延长这条通向宇宙深处的时空隧道,我们需要一台能够看到红外波段、并且性能更强的望远镜。

继承这一重任的,是2021年刚刚发射升空的詹姆斯·韦布望远镜。为了看到宇宙更早期、红移更高的星系,韦布被设计为在红外望远镜,因而外形结构与哈勃有很大的不同,并且口径达到了6.5米,是哈勃的近3倍

不同望远镜覆盖的电磁波谱段落不同

也因此韦布望远镜在天文观测上比哈勃有很大的优势

(参考:BBC)▼

500

凭借其优异的性能,我们期待韦布望远镜能够带领我们看到130多亿年前,宇宙中的星系和第一代恒星刚刚形成的时期,以进一步验证现有的物理模型。

幽灵星系,从何而来?

本文开头提到的最新发现便来自去年7月韦布传回的首批数据。其实,在此次发现的6颗离奇星系中,有的曾被哈勃望远镜在部分波段拍到过,但它们在哈勃的图像中模糊不清,没有引起注意。

在哈勃的各个光学波段中,6颗星系并未出现或非常暗弱

(右侧为韦布望远镜所拍)▼

500

按照目前的星系形成理论,在130亿年前,星系应当仍处于幼年时期。而此次发现的6颗星系,根据初步测定,其质量与今天的银河系相当,却直接出现在了130亿年前的宇宙中。

如前所述,星系的成长需要漫长的时间。银河系从婴儿时期增长至今天,花了100多亿年。以银河系作比,这6颗星系在宇宙诞生之后几亿年内的增长速度达到了银河系整个历史平均的20倍。在现有的宇宙学和星系形成理论下,这样的增长是无法解释的。

不过,从韦布到哈勃的技术跨越,人类只用了三十多年

理论的进一步完善未来可期

(图:韦布望远镜特殊瞳孔镜头的自拍)▼

500

我们本来的目标是用韦布望远镜为宇宙拍一张婴儿照,结果传回的照片中赫然出现了一群成年星系。这就好比一位古生物学家在5亿年前埋藏着三叶虫化石的寒武纪地层中挖出了一具人类骨架。

关于如何解释这6颗“不应该出现”的星系,有学者指出,问题的关键或许在于宇宙早期存在某种未知的机制,使恒星以比以往认为的更高效的途径形成

论文作者在接受采访时也进行推测,嫌疑犯可能与孕育星系形成的暗物质晕有关,但那时的宇宙也不应该存在那么大的暗物质晕。还有一些观点认为,这6颗神秘的星系或是隐蔽的超大质量黑洞

暗物质的神秘面纱亟待天文学家们去解开

(图:wiki)▼

500

发表该论文的研究团队一度怀疑是否是自己犯了什么错误。为此,作者分别使用了7种不同的方法来拟合这些星系的红移和质量,但都得到了比较一致的结果。

a.作者用7种不同的方法测定这批星系的恒星质量

b.7种方法得到的红移(代表离我们的距离)▼

500

500

不过,现有的分析只基于测光数据,若要对其进行最终的验证,最确信的方法是等待后续精确的光谱测量,以获取关于它们的金属丰度、形态类型等更为细致的信息。

如此看来,这桩疑案最终破解或许还需要等待很长一段时间。但不论最终结果如何,回顾人类观测宇宙的历史,每一次望远镜技术的革新,带来的都是人类对宇宙认识的颠覆性进步。我们从不惧怕新的发现推翻现有理论,而是始终对它将为我们的科学边界打开一扇什么样的大门满怀期待。

限制人类继续向外探索的,只有想象力!

(插画:Quatamagazine)▼

500

参考资料:

1. 在《自然》发表的论文原文:Labbé, I., van Dokkum, P., Nelson, E. et al. A population of red candidate massive galaxies ~600 Myr after the Big Bang. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05786-2

2. 高精度宇宙学星系形成数值模拟IllustrisTNG结果展示网址:https://www.tng-project.org/media/

3. 哈勃星系深场系列项目网址:https://www.nasa.gov/content/discoveries-hubbles-deep-fields

站务

最近更新的专栏

全部专栏