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NO2428- 世界起源的另一種可能
作者：忘年
制圖：魔鬼魚 / 校稿：朝乾 / 編輯：魔鬼魚
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近日，《自然》雜志發表了一項最新研究。天文學家從詹姆斯 · 韋布空間望遠鏡傳回的圖像中，發現了六顆奇怪的紅色星系，其質量與銀河系相當。
這些星系可能擁有數百億甚至數千億倍太陽質量的恒星
（圖：NASA）▼
但詭異之處在于，紅移測量表明，它們的光竟然來自130 多億年前！而宇宙誕生至今也不過約 138 億年。
那時宇宙中第一批恒星才剛剛形成，大如銀河系的星系根本不可能出現在那個地方。此項結果若被證實，意味着現有的宇宙學和星系形成理論将面臨挑戰。
韋布望遠鏡的觀測上限超過哈勃望遠鏡很多
（參考：Quantamagazine）▼
在 130 億年前的宇宙中憑空出現的星系 " 巨獸 " 到底是什麽？爲什麽它們的發現會引起如此激烈的關注？我們首先根據現有的理論，來看看星系是如何形成的。
" 貪吃蛇 " 宇宙玩家
如同達爾文的進化論認爲生命不是被先天創造，而是由簡單到複雜慢慢演化而來一樣。現代宇宙學認爲，所有的星系與恒星也不是亘古如此，而是在 138 億年前 "宇宙大爆炸" 之後漫長時間裏的産物。
回到 138 億年前，星系與恒星尚未形成，宇宙處于數億年的 " 黑暗時代 " 中。那時，除掉暗能量和背景輻射，宇宙的物質部分主要有大爆炸後産生的氫與氦組成的氣體，約占 15%；以及暗物質，約占 85%。
大爆炸之後，宇宙中的大部分重子物質冷卻形成中性氫
這個過程光子被釋放，成爲今天的宇宙微波背景輻射
宇宙進入黑暗時代（圖：wiki）▼
占主導地位的暗物質受引力相互作用逐漸聚集，形成一個個 " 暗物質暈 "。而氣體則落入暗物質暈的引力勢阱中，并通過電磁輻射進一步冷卻、凝聚。
大爆炸後約 4 億年，第一代恒星開始從氣體中形成，恒星和創造恒星的氣體凝結在暗物質暈中心，形成星系的種子。這時的場景很像一個胚胎，暗物質暈像包裹和保護星系的 "蛋白"，而星系就是其中的 "蛋黃"。
暗物質不會吸收、反射或發出光
人們目前隻能透過引力産生的效應間接觀測到它的存在
（圖：wiki）▼
之後，星系可以通過兩種方式不斷成長。一種是平緩地收集周圍宇宙環境中的氣體，逐漸生成新的恒星而變大。
另一種則較爲暴力，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長大。也有可能兩個差不多大的星系撞到一起，經過劇烈的融合成爲一個全新形态的星系。
兩個星系恰好迎頭相撞，形成了一個罕見的輪狀星系
（右邊這個大家夥）（圖：NASA）▼
聽起來是不是很耳熟？每一個星系自幼就是宇宙級 " 貪吃蛇 " 玩家。我們的銀河系也是這樣，從 130 多億年前幼小的星系種子，經曆千難萬險，不斷打怪升級，幸存至今，最終成爲一個包含上千億顆恒星的龐大系統。
并且，銀河系仍儲存着大量的氣體，正在不斷制造新的恒星。而在銀河系周圍，還吸引了十幾個大塊頭的衛星星系環繞運行，等待成爲未來的食物。
銀河系衛星星系中，比較著名的就是大麥哲倫星系（LMC）
和小麥哲倫星系（SMC）（圖：wiki）▼
但是也不能高興得太早。據觀測顯示，銀河系正在和離我們最近的仙女座大星系互相靠近，預計将于40 億年後發生碰撞。由于二者體量相近，最終會合并成一個巨大的橢圓星系。
幸而星系的碰撞并不是像剛體碰撞那樣的 " 硬碰硬 "，由于恒星之間存在巨大的空隙，我們的太陽系并不會因此遭受緻命的災難。相反，那時的人類，将有望看到有史以來最壯觀的夜空。
模拟照片展示了銀河系和仙女座兩大星系交融的過程
（圖：NASA） ▼
20 世紀 20 年代，著名天文學家埃德溫 · 哈勃通過大量的觀測，根據形态對星系進行了分類和研究。哈勃将星系分爲漩渦星系、橢圓星系和不規則星系三大類，再進一步根據橢率或旋臂狀态分爲不同的次型。
哈勃這套分類法被稱爲哈勃序列，也叫哈勃音叉分類法
（圖：wiki）▼
星系豐富多樣的形态和顔色來源于它們各自獨特的成長及并合曆史。比如，年輕的星系顔色較藍，表明它們仍包含大量的冷氣體，正在生産恒星，新生的恒星群會發出更多藍色的輻射。
而在年老的星系中，氣體匮乏，新的恒星不再形成，隻剩下老舊的恒星，輻射偏紅。
顔色越藍的星壽命越短
長壽的基本都是紅矮星、褐矮星
（參考：wiki）▼
如果星系在形成時，處于不均勻的宇宙環境中，物質更多地沿着某個特定的方向被吸入，則可能帶來角動量，形成漩渦星系。
而居于超大星系團 C 位的中央星系，則往往是巨橢圓星系，它在漫長的曆史中，通過胡亂吞并大量衛星星系而形成。
至于大星系周圍将被捕食的矮星系，它們受到宿主星系的強烈影響，會被扭曲甚至撕裂出長長的潮汐尾。
蝌蚪星系被撕扯出的潮汐尾
當一個星系吞并另一個星系時，新物質的進入有可能爲星系的生長提供大量的氣體燃料，引發劇烈的恒星形成，這就是星暴星系。但這種情況也有可能适得其反，導緻消化不良，反而猝滅自身的恒星形成活動。
星暴星系，伴随着誕生與湮滅的極緻暴力美學
憑借飛速發展的計算機數值模拟技術，近年來，天文學家已經能在計算機上再現從宇宙大爆炸之後極早期直到今天，長達 130 億年的時間裏，宇宙結構形成及星系演化的曆史，并利用不斷細化的模型還原星系内部複雜的物理過程。
目前最新的高精度宇宙學數值模拟 IllustrisTNG50
一個星系跌宕起伏的演化曆史，經曆吸積、并合、撕裂、重組，最終從一個漩渦星系轉型爲橢圓星系
（來源：tng-project.org）▼
時空隧道，洞穿宇宙
随着望遠鏡技術的不斷進步，天文學家也嘗試通過觀測真實宇宙中的星系樣本，驗證和優化關于星系形成與演化的理論模型。
我們知道，由于光速的有限性，在天文觀測中看得越遠，就能看到越久以前的時間。在星系尺度上，人類的視野已經拓展到百億光年之外，回溯的時間正在接近整個宇宙的年齡。
2012 年，哈勃空間望遠鏡積累十年的觀測結果，拍攝了一張 "哈勃極深場"（Hubble eXtreme Deep Field, HXDF）。
這張照片，蘊藏了科學家們不少的重大發現
這張照片中包含了5500 個遙遠的星系，其中最暗的星系亮度是人類肉眼可見極限的 100 億分之一，而最遠的星系距離也已經超過了100 億光年，那時仍是宇宙的幼年。
天文學家發現，遠處的星系和近處相比，其性質已經出現了系統性的差别。
我們的天球視野已經接近了視界的邊緣
有機會看到更爲混沌、原始的宇宙面貌
比如，遠處的星系更加密集，星系間碰撞并合的景象更加頻繁。這是因爲在 100 億年前，宇宙還沒有膨脹得像今天那麽大，宇宙空間顯得更加擁擠。
通過這樣的遠近星系樣本的對比，我們實際上已經看到了凝固在時間長河中、真實宇宙裏的星系如何演化至今的過程。這是一條真正意義上的時空隧道。
上百億年是韋布的極限，但或許不是宇宙的極限
（參考：BBC）▼
哈勃望遠鏡能讓我們一直看到星系形成的起點嗎？很遺憾，因爲宇宙越早期，星系離我們越遠，質量也越小，因此迅速變暗。
此外，由于宇宙膨脹，遠處星系發出的光在傳到地球的過程中波長會被拉長，導緻越遠的星系看起來越紅，直到成爲紅外線。
這一現象，被稱爲紅移，在韋布望遠鏡超深場照片中
框中的 Glass-13 星系紅移數值 z 甚至達到了 13
（圖：NASA/CSA/ESA/STScl）▼
而哈勃望遠鏡主要工作在光學波段。爲了繼續延長這條通向宇宙深處的時空隧道，我們需要一台能夠看到紅外波段、并且性能更強的望遠鏡。
繼承這一重任的，是 2021 年剛剛發射升空的詹姆斯 · 韋布望遠鏡。爲了看到宇宙更早期、紅移更高的星系，韋布被設計爲在紅外望遠鏡，因而外形結構與哈勃有很大的不同，并且口徑達到了 6.5 米，是哈勃的近 3 倍。
不同望遠鏡覆蓋的電磁波譜段落不同
也因此韋布望遠鏡在天文觀測上比哈勃有很大的優勢
（參考：BBC）▼
憑借其優異的性能，我們期待韋布望遠鏡能夠帶領我們看到 130 多億年前，宇宙中的星系和第一代恒星剛剛形成的時期，以進一步驗證現有的物理模型。
幽靈星系，從何而來？
本文開頭提到的最新發現便來自去年 7 月韋布傳回的首批數據。其實，在此次發現的 6 顆離奇星系中，有的曾被哈勃望遠鏡在部分波段拍到過，但它們在哈勃的圖像中模糊不清，沒有引起注意。
在哈勃的各個光學波段中，6 顆星系并未出現或非常暗弱
（右側爲韋布望遠鏡所拍）▼
按照目前的星系形成理論，在 130 億年前，星系應當仍處于幼年時期。而此次發現的 6 顆星系，根據初步測定，其質量與今天的銀河系相當，卻直接出現在了 130 億年前的宇宙中。
如前所述，星系的成長需要漫長的時間。銀河系從嬰兒時期增長至今天，花了 100 多億年。以銀河系作比，這 6 顆星系在宇宙誕生之後幾億年内的增長速度達到了銀河系整個曆史平均的 20 倍。在現有的宇宙學和星系形成理論下，這樣的增長是無法解釋的。
不過，從韋布到哈勃的技術跨越，人類隻用了三十多年
理論的進一步完善未來可期
（圖：韋布望遠鏡特殊瞳孔鏡頭的自拍）▼
我們本來的目标是用韋布望遠鏡爲宇宙拍一張嬰兒照，結果傳回的照片中赫然出現了一群成年星系。這就好比一位古生物學家在 5 億年前埋藏着三葉蟲化石的寒武紀地層中挖出了一具人類骨架。
關于如何解釋這 6 顆 " 不應該出現 " 的星系，有學者指出，問題的關鍵或許在于宇宙早期存在某種未知的機制，使恒星以比以往認爲的更高效的途徑形成。
論文作者在接受采訪時也進行推測，嫌疑犯可能與孕育星系形成的暗物質暈有關，但那時的宇宙也不應該存在那麽大的暗物質暈。還有一些觀點認爲，這 6 顆神秘的星系或是隐蔽的超大質量黑洞。
暗物質的神秘面紗亟待天文學家們去解開
發表該論文的研究團隊一度懷疑是否是自己犯了什麽錯誤。爲此，作者分别使用了 7 種不同的方法來拟合這些星系的紅移和質量，但都得到了比較一緻的結果。
a. 作者用 7 種不同的方法測定這批星系的恒星質量
b.7 種方法得到的紅移（代表離我們的距離）▼
不過，現有的分析隻基于測光數據，若要對其進行最終的驗證，最确信的方法是等待後續精确的光譜測量，以獲取關于它們的金屬豐度、形态類型等更爲細緻的信息。
如此看來，這樁疑案最終破解或許還需要等待很長一段時間。但不論最終結果如何，回顧人類觀測宇宙的曆史，每一次望遠鏡技術的革新，帶來的都是人類對宇宙認識的颠覆性進步。我們從不懼怕新的發現推翻現有理論，而是始終對它将爲我們的科學邊界打開一扇什麽樣的大門滿懷期待。
限制人類繼續向外探索的，隻有想象力！
（插畫：Quatamagazine）▼
最後
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參考資料：
1. 在《自然》發表的論文原文：Labb é , 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. 高精度宇宙學星系形成數值模拟 IllustrisTNG 結果展示網址：https://www.tng-project.org/media/
3. 哈勃星系深場系列項目網址：https://www.nasa.gov/content/discoveries-hubbles-deep-fields
* 本文内容爲作者提供，不代表地球知識局立場
封面：壹圖網
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