2023年2月，《自然》杂志公布了韦布望远镜的一个重要发现，那就是它发现了一些高红移的本不应该存在的星系，这些星系的恒星质量如此之大，足以颠覆我们现有的宇宙认知。为什么早期存在的大质量恒星能够重塑我们的宇宙观？

(资料图片)

要说这些星系，还需要先从我们的宇宙认知谈起。大爆炸宇宙模型认为，宇宙是由一个致密炽热的奇点于138亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。它的提出其实是基于一系列的观测证据。在上个世纪1924年的时候，美国天文学家哈勃首先发现，当时的仙女座大星云距离我们地球的距离，要比我们所知道的银河系的尺度还要大，所以就提出来仙女座大星云其实是一个星系，位于银河系之外。而在之后，哈勃继续发现了更多的河外星系。他不仅仅是发现了更多的河外星系，而且还发现一个令人惊奇的现象，也就是星系如果距离我们银河系越远，远离我们银河系的速度也就越快，这就是我们现在所知道的哈勃勒梅特定律。

基于这样的观测基础，1946年美国物理学家伽莫夫正式提出大爆炸宇宙模型。爆炸之初，物质只能以中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。宇宙爆炸之后的不断膨胀，导致温度和密度很快下降。随着温度降低、冷却，逐步形成原子、分子，并复合成为通常的气体。气体逐渐凝聚成星云，星云进一步形成各种各样的恒星和星系，最终形成如今所看到的宇宙。

1964年，美国贝尔电话公司的彭齐亚斯和威尔逊，在调试巨大的喇叭形天线时，出乎意料地接收到一种无线电干扰噪声，各个方向上信号的强度都一样，而且历时数月而无变化。经过努力，后来他们知道了这就是我们宇宙大爆炸遗留到现在的遗迹。

在上个世纪70年代的时候，美国的天文学家薇拉鲁宾通过观察临近星系中恒星的运动，最后提出了暗物质的存在。在二十多年后，美国和澳大利亚的科学家们有发现我们现在的宇宙没有在减速，反而在加速膨胀，基于这样的观测事实，他们又进一步提出暗能量在我们宇宙中的存在。因为有暗能量，宇宙从60亿年前开始加速膨胀。这就是我们目前所了解的宇宙学的基本常识。

太阳系，配图来自图虫网

所以我们的宇宙组成，按照我们的理解，应该是包括了正常物质，暗物质和暗能量三种。那我们的宇宙中的恒星和星系，按照我们的理解，也是经历了一个从无到有的过程。因为在宇宙早期的一段时间，温度非常高，所以没有恒星和星系，只有到了后期的时候，随着宇宙的膨胀，气体温度慢慢变低，现在的宇宙模型就认为恒星和星系形成，不过星系在开始的时候比较小，因为星系之间的碰撞，星系就随着时间变大。所以我们可以看到，它也经历了一个从小到大的过程，这就是我们现在所认为的宇宙模型。一直认识宇宙的早期是我们的一个目标。所以在2021年的时候就发射了能够看到宇宙早期的韦布望远镜。

而韦布望远镜观测发现，在宇宙的年龄只有如今3%的时候，按我们的预期，星系的质量当时应该是非常小的，然而所发现星系中的恒星质量是太阳的100亿倍，甚至一个星系中的恒星质量可能是太阳的1000亿倍，接近银河系的质量了。科学家们总共发现了6个类似星系，它们可能会改变人类对宇宙中星系起源的认识。科学家们将这些星系称为“宇宙规则的破坏者”，它们与99%的现有宇宙模型存在矛盾。他们推测，有些可能是超大质量黑洞，但同时发现6个黑洞似乎不太可能，其中一些很可能是真的星系。

新研究中检测到的恒星质量比科学家之前认为的要大100倍。按照科学的说法，这样的星系本不应该在宇宙诞生后这么短的时间内就变得这么大。我们本以为在这个时间点上只会发现微小、年轻的婴儿星系，但却在以前被认为是宇宙黎明的时分，发现了和我们银河系一样成熟的星系。当然还需要之后更多的观测验证这次的观测结果。

如果这些星系能被进一步证实，就意味着人类对早期宇宙演变历史的认识可能是错误的，星系演变比人类认识到的要快得多。这就需要改变既往宇宙模型，或者改变人类对星系起源的理解。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者：苟利军（中国科学院大学教授）

审核：韩文标（中国科学院上海天文台研究员）

出品：中国科协科普部

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