韋布望遠鏡發現神秘星系,其實它們本不應存在
來源:星空計劃
發布時間:2023-04-27
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2023年2月,《自然》雜志公布了韋布望遠鏡的一個重要發現,那就是它發現了一些高紅移的本不應該存在的星系,這些星系的恒星質量如此之大,足以顛覆我們現有的宇宙認知。為什么早期存在的大質量恒星能夠重塑我們的宇宙觀?

要說這些星系,還需要先從我們的宇宙認知談起。大爆炸宇宙模型認為,宇宙是由一個致密熾熱的奇點于138億年前一次大爆炸后膨脹形成的。它的提出其實是基于一系列的觀測證據。在上個世紀1924年的時候,美國天文學家哈勃首先發現,當時的仙女座大星云距離我們地球的距離,要比我們所知道的銀河系的尺度還要大,所以就提出來仙女座大星云其實是一個星系,位于銀河系之外。而在之后,哈勃繼續發現了更多的河外星系。他不僅僅是發現了更多的河外星系,而且還發現一個令人驚奇的現象,也就是星系如果距離我們銀河系越遠,遠離我們銀河系的速度也就越快,這就是我們現在所知道的哈勃勒梅特定律。

基于這樣的觀測基礎,1946年美國物理學家伽莫夫正式提出大爆炸宇宙模型。爆炸之初,物質只能以中子、質子、電子、光子和中微子等基本粒子形態存在。宇宙爆炸之后的不斷膨脹,導致溫度和密度很快下降。隨著溫度降低、冷卻,逐步形成原子、分子,并復合成為通常的氣體。氣體逐漸凝聚成星云,星云進一步形成各種各樣的恒星和星系,最終形成如今所看到的宇宙。

1964年,美國貝爾電話公司的彭齊亞斯和威爾遜,在調試巨大的喇叭形天線時,出乎意料地接收到一種無線電干擾噪聲,各個方向上信號的強度都一樣,而且歷時數月而無變化。經過努力,后來他們知道了這就是我們宇宙大爆炸遺留到現在的遺跡。

在上個世紀70年代的時候,美國的天文學家薇拉魯賓通過觀察臨近星系中恒星的運動,最后提出了暗物質的存在。在二十多年后,美國和澳大利亞的科學家們有發現我們現在的宇宙沒有在減速,反而在加速膨脹,基于這樣的觀測事實,他們又進一步提出暗能量在我們宇宙中的存在。因為有暗能量,宇宙從60億年前開始加速膨脹。這就是我們目前所了解的宇宙學的基本常識。

太陽系,配圖來自圖蟲網

所以我們的宇宙組成,按照我們的理解,應該是包括了正常物質,暗物質和暗能量三種。那我們的宇宙中的恒星和星系,按照我們的理解,也是經歷了一個從無到有的過程。因為在宇宙早期的一段時間,溫度非常高,所以沒有恒星和星系,只有到了后期的時候,隨著宇宙的膨脹,氣體溫度慢慢變低,現在的宇宙模型就認為恒星和星系形成,不過星系在開始的時候比較小,因為星系之間的碰撞,星系就隨著時間變大。所以我們可以看到,它也經歷了一個從小到大的過程,這就是我們現在所認為的宇宙模型。一直認識宇宙的早期是我們的一個目標。所以在2021年的時候就發射了能夠看到宇宙早期的韋布望遠鏡。

而韋布望遠鏡觀測發現,在宇宙的年齡只有如今3%的時候,按我們的預期,星系的質量當時應該是非常小的,然而所發現星系中的恒星質量是太陽的100億倍,甚至一個星系中的恒星質量可能是太陽的1000億倍,接近銀河系的質量了??茖W家們總共發現了6個類似星系,它們可能會改變人類對宇宙中星系起源的認識??茖W家們將這些星系稱為“宇宙規則的破壞者”,它們與99%的現有宇宙模型存在矛盾。他們推測,有些可能是超大質量黑洞,但同時發現6個黑洞似乎不太可能,其中一些很可能是真的星系。

新研究中檢測到的恒星質量比科學家之前認為的要大100倍。按照科學的說法,這樣的星系本不應該在宇宙誕生后這么短的時間內就變得這么大。我們本以為在這個時間點上只會發現微小、年輕的嬰兒星系,但卻在以前被認為是宇宙黎明的時分,發現了和我們銀河系一樣成熟的星系。當然還需要之后更多的觀測驗證這次的觀測結果。

如果這些星系能被進一步證實,就意味著人類對早期宇宙演變歷史的認識可能是錯誤的,星系演變比人類認識到的要快得多。這就需要改變既往宇宙模型,或者改變人類對星系起源的理解。

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者:茍利軍(中國科學院大學教授)

審核:韓文標(中國科學院上海天文臺研究員)

出品:中國科協科普部

監制:中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司



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