宇宙史的開篇會被改寫嗎

宇宙史的開篇會被改寫嗎引言：隨著韋布空間望遠(yuǎn)鏡第一批科學(xué)數(shù)據(jù)的公布，天文學(xué)家爭先恐后地在網(wǎng)上發(fā)布了自己的研究成果，“最遙遠(yuǎn)星系”的紀(jì)錄被一次次打破。遙遠(yuǎn)對應(yīng)著古老，這些星系古老到在宇宙剛誕生僅幾億年后就已出現(xiàn)。但在天文學(xué)家的模型中，那時初生的宇宙還不足以產(chǎn)生這樣的星系。這些成果已經(jīng)超出了科學(xué)家最樂觀的預(yù)期，它們究竟是否可靠還有待證實(shí)。但至少可以肯定，韋布空間望遠(yuǎn)鏡將再次改寫我們對宇宙的認(rèn)知。打破既有認(rèn)知當(dāng)羅恩·奈杜（Rohan

Naidu）發(fā)現(xiàn)那個幾乎違背了宇宙學(xué)的星系時，他正在家里陪著女朋友。去年7月的一個深夜，在美國麻省理工學(xué)院工作的奈杜用自己寫的算法檢索韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）獲取的早期圖像，其中一個發(fā)現(xiàn)立刻引起了他的注意。算法篩選出了一個質(zhì)量大得令人費(fèi)解的天體，時間也可以追溯到宇宙大爆炸后的3億年，比此前看到的任何星系都要古老?！拔荫R上叫我女朋友過來，”奈杜說，“我告訴她：‘這可能是我們見過的最遙遠(yuǎn)的星光?！痹谂c他的一位合作者交換了“帶有大量感嘆號”的興奮信息后，奈杜開始工作。幾天后，他們發(fā)表了一篇關(guān)于該候選星系的論文，并將這一星系稱為“GLASS-z13”?；ヂ?lián)網(wǎng)立刻被引爆，奈杜說：“這傳遍了全世界?！痹陧f布空間望遠(yuǎn)鏡全面運(yùn)行的短短幾周內(nèi)，這個星系的發(fā)現(xiàn)就已經(jīng)超出了天文學(xué)家最瘋狂的想象。韋布空間望遠(yuǎn)鏡——有史以來從地球上發(fā)射的尺寸最大、能力最強(qiáng)的天文望遠(yuǎn)鏡——正是為了徹底革新我們對宇宙的理解而建造的。為了避開地球的干擾，這個望遠(yuǎn)鏡位于距離地球150萬千米遠(yuǎn)的地方，網(wǎng)球場大小的遮陽板使其溫度接近絕對零度，巨大的拼合鏡面和極其敏感的儀器都經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，用于揭示以前從未觀測到的宇宙黎明的細(xì)節(jié)。這是一段幾乎從未被探索過的時代（宇宙大爆炸發(fā)生后的幾億年內(nèi)），當(dāng)時第一代恒星和星系逐漸聚合在了一起。究竟該如何描述這個階段的細(xì)節(jié)，還取決于我們對一些奇異狀態(tài)下的物理學(xué)的理解，包括暗物質(zhì)和暗能量產(chǎn)生的難以預(yù)料的影響，以及我們至今仍然認(rèn)知尚淺的星光、氣體和塵埃之間的反饋?zhàn)饔谩＝柚鶭WST從宇宙黎明時期窺探到的星系，宇宙學(xué)家可以測試他們對這些基本現(xiàn)象的認(rèn)知——要么確認(rèn)他們最認(rèn)可的模型的有效性，要么揭示當(dāng)前理論依然存在欠缺，而這可能預(yù)示著更深刻的新發(fā)現(xiàn)?？茖W(xué)家曾認(rèn)為，這樣的觀測可能需要花些時間。據(jù)最初的預(yù)測，第一批星系是如此之小如此之暗，以至于韋布空間望遠(yuǎn)鏡的先導(dǎo)研究中最多只能找到幾個令人感興趣的候選體。然而事情并沒有完全按預(yù)期展開，當(dāng)?shù)谝慌鷪D像發(fā)布后，像奈杜這樣的天文學(xué)家從中發(fā)現(xiàn)了許多星系，這些星系的表觀年齡、大小和亮度明顯超過了原有的預(yù)測。這種發(fā)現(xiàn)的競爭非常激烈：似乎每天都有一個研究小組宣稱，他們找到了另一個破紀(jì)錄的“已知最早星系”。丹麥哥本哈根大學(xué)的天體物理學(xué)家夏洛特·梅森（Charlotte

Mason）說：“大家都被震驚了，真沒有想到會這樣?！痹诎l(fā)現(xiàn)這些令人意外的“早熟”星系后，理論天文學(xué)家和觀測天文學(xué)家爭相給出解釋。這些大到異常、亮到異常的早期星系會不會只是一種假象，也許是在分析望遠(yuǎn)鏡獲取的原始觀測數(shù)據(jù)時存在缺陷？如果星系是真的，它們能否以某種方式被標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型所解釋？或者，有沒有可能，它們是首先映入我們眼簾的證據(jù)，暗示著宇宙比我們最大膽的理論設(shè)想還要奇怪和復(fù)雜？這關(guān)系到我們應(yīng)該怎么理解已知的有序宇宙是如何從原始的混沌中出現(xiàn)的。韋布空間望遠(yuǎn)鏡的早期結(jié)果可能改寫宇宙史的開篇，而這不僅涉及宇宙的黎明和遙遠(yuǎn)的星系，還涉及我們熟悉的銀河系中，人類自身的存在。歐洲空間局（ESA）科學(xué)與探索高級顧問、韋布空間望遠(yuǎn)鏡科學(xué)家馬克·麥考雷安（Mark

McCaughrean）說：“建造這些機(jī)器不是為了驗(yàn)證以前的理解，而是為了打破它，你只是不知道它將如何被打破?！蹦曈钪娉筷赜腥丝赡軙f，韋布空間望遠(yuǎn)鏡對早期星系的觀測已經(jīng)經(jīng)歷了漫長的醞釀，但更合適的說法是，這可以追溯到1985年的美國空間望遠(yuǎn)鏡研究所（STScI）。當(dāng)時距離哈勃空間望遠(yuǎn)鏡通過航天飛機(jī)發(fā)射還有5年時間，時任空間望遠(yuǎn)鏡研究所副主任的加思·伊林沃思

（Garth

Illingworth）驚訝于他的老板里卡爾多·賈科尼（Riccardo

Giacconi，1931—2018，當(dāng)時的主任）要他設(shè)想哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的繼任者?！拔铱棺h說，我們在哈勃上的工作已經(jīng)夠多了。”伊林沃思回憶道。但賈科尼堅(jiān)持說：“相信我，這將需要很長的時間。”于是，伊林沃思和其他一些人開始為新一代太空望遠(yuǎn)鏡（Next

Generation

Space

Telescope，NGST）起草概念性的設(shè)想，后來它以美國航空航天局（NASA）前局長的名字重命名為韋布空間望遠(yuǎn)鏡。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡為天文學(xué)帶來了變革，但天文學(xué)家知道，它的能力仍受限于觀測所用的可見光。當(dāng)非常遙遠(yuǎn)的星光穿過深邃的宇宙，它的波長會被宇宙膨脹拉長，而波長的增加被稱為紅移。紅移值越高，光線經(jīng)歷的拉伸就越多，對應(yīng)的星系也就越遙遠(yuǎn)。早期星系的紅移是如此之高，以至于它們發(fā)出的可見光在到達(dá)我們的望遠(yuǎn)鏡時已經(jīng)被拉伸成了紅外線，這就是為什么哈勃望遠(yuǎn)鏡看不到它們。相比之下，新一代太空望遠(yuǎn)鏡將在紅外波段進(jìn)行觀測，它收集星光的鏡面非常大（也非常冷），使其能夠更深入地窺視宇宙。伊林沃思說：“每個人都意識到韋布望遠(yuǎn)鏡將成為觀測早期星系的望遠(yuǎn)鏡，這成為了主要的科學(xué)目標(biāo)?！?995年12月，當(dāng)天文學(xué)家決定將哈勃對準(zhǔn)一片看似空曠的天空連續(xù)觀測10天后，類似的需求開始顯著增長。雖然當(dāng)時許多專家預(yù)測，這樣長時間的觀測只是浪費(fèi)資源，最多只能發(fā)現(xiàn)少數(shù)幾個暗淡的星系，但恰恰相反，這次付出得到了豐厚的回報(bào)。由此產(chǎn)生的圖像，即“哈勃深場”，顯示那個“空曠”的地方填滿了數(shù)千個星系，一直延伸到120億年前，而宇宙歷史不過138億年?！暗教幎际切窍??！币亮治炙颊f，他現(xiàn)在是加利福尼亞大學(xué)圣克魯茲分校的天體物理學(xué)家。“哈勃深場”顯示，早期宇宙甚至比大多數(shù)人預(yù)期的更加擁擠和令人興奮，為那些花時間和精力去觀測的人提供了觀測寶藏。然而，盡管“哈勃深場”令人印象深刻，但天文學(xué)家還想得到更多。經(jīng)過20多年的努力和100億美元的資金投入，韋布空間望遠(yuǎn)鏡終于在2021年圣誕節(jié)被發(fā)射。這之后一個月，這個望遠(yuǎn)鏡到達(dá)了它的目的地，并在那里經(jīng)歷詳盡的測試以優(yōu)化性能。2022年7月，韋布空間望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)準(zhǔn)備好被啟動，并進(jìn)行備受期待的首年科學(xué)觀測。在初期，望遠(yuǎn)鏡的部分觀測時間將用于一些有影響力的項(xiàng)目，這些數(shù)據(jù)也會被立即公開。其中的兩個項(xiàng)目是，CEERS（the

Cosmic

Evolution

Early

Release

Science

Survey，宇宙演化早期發(fā)布科學(xué)巡天）和GLASS（the

Grism

Lens–Amplified

Survey

from

Space，空間光柵透鏡放大測量）。這兩個項(xiàng)目分別耗費(fèi)了幾十個小時，通過觀測天空中不同方向的小天區(qū)來尋找早期宇宙中的星系。人們對結(jié)果的預(yù)期不高——也許它的所獲確實(shí)會比“哈勃深場”稍微華麗一些，但也僅此而已。得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的史蒂文·芬克爾斯坦（Steven

Finkelstein）是CEERS的負(fù)責(zé)人，他說，可能在那幾個項(xiàng)目都獲取了大量數(shù)據(jù)后，那些極其遙遠(yuǎn)的星系才會出現(xiàn)吧。不過令天文學(xué)家驚訝的是，極其遙遠(yuǎn)的星系立即就被發(fā)現(xiàn)了。在哈勃望遠(yuǎn)鏡的觀測記錄中，最遙遠(yuǎn)星系是GN-z11，發(fā)現(xiàn)于2015年，紅移為11。這一發(fā)現(xiàn)主要?dú)w功于望遠(yuǎn)鏡在2009年升級的紅外設(shè)備。紅移11對應(yīng)的宇宙年齡大約為4億年，這被認(rèn)為是星系開始形成的起點(diǎn)。但是，從最早的GLASS數(shù)據(jù)中，兩個團(tuán)隊(duì)（其中一個由奈杜領(lǐng)導(dǎo)，參與了那場扣人心弦的深夜發(fā)現(xiàn)）各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了GLASS-z13，它的紅移是13，又早了大約7000萬年。在速戰(zhàn)速決的篩選中，研究人員只是基于簡單的亮度測量來估算紅移。這比直接測量光譜紅移容易得多，但沒有那么精確，而直接測量紅移需要更多的觀測時間。盡管如此，這種簡化的紅移測量技術(shù)也可以很準(zhǔn)確，它還表明存在一個亮到出奇、大到出奇的星系，擁有大量恒星，質(zhì)量相當(dāng)于太陽的10億倍，雖然恒星數(shù)量僅有銀河系的幾百分之一，卻比銀河系年輕幾十億年。加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的天文學(xué)家、GLASS項(xiàng)目負(fù)責(zé)人托馬索·特雷烏（Tommaso

Treu）說：“這超出了我們最樂觀的預(yù)期?！边@個記錄并沒有持續(xù)很久。在接下來的幾天里，來自CEERS和GLASS的幾十個候選星系突然出現(xiàn)在天文學(xué)家的視野中，它們的紅移估計(jì)高達(dá)20——僅僅是在大爆炸之后的1.8億年。其中一些還具有盤狀結(jié)構(gòu)，這也明顯不同于科學(xué)家預(yù)期的早期宇宙中的星系。同時，另一個小組發(fā)現(xiàn)了一個紅移為10的星系，相當(dāng)于它在大爆炸后不到5億年的時間里，就發(fā)展到了與我們銀河系相當(dāng)?shù)囊?guī)模。這樣的龐然大物如此迅速地出現(xiàn)，突破了宇宙演化標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言。這個模型又被稱為含宇宙學(xué)常數(shù)的冷暗物質(zhì)模型（LCDM），包含了天文學(xué)家對暗能量和暗物質(zhì)特性的最佳估計(jì)，它們共同主導(dǎo)著大尺度宇宙結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)（其中L指的是宇宙學(xué)常數(shù)，也就是暗能量，而“CDM”指的是相對“冷”的暗物質(zhì)）。得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的宇宙學(xué)家邁克爾·博伊蘭-科爾欽（Michael

Boylan-Kolchin）說：“即使你把所有可以用來形成恒星的東西都拿出來，施展一個神奇的魔法，仍然不可能在那么早期得到那么大的星系。這將是一場真正的革命?！比绾蝿?chuàng)造星系為了理解這個矛盾，我們需要簡要地做個天文學(xué)知識的復(fù)習(xí)。在大爆炸后的第一秒，我們的宇宙是一團(tuán)熱到難以想象的致密原初粒子湯。在接下來的三分鐘里，隨著宇宙的膨脹和冷卻，氦原子核和其他非常輕的元素的原子核開始形成?？爝M(jìn)40萬年后，宇宙已經(jīng)冷到足以讓第一個原子出現(xiàn)。當(dāng)宇宙有大約1億年的歷史時，理論天體物理學(xué)家認(rèn)為，條件終于適合第一批恒星出現(xiàn)了。這些主要由氫和氦組成的巨大火球還沒有被現(xiàn)代恒星中較重的元素污染，因此它們具有明顯不同的特性。這些最早的太陽比今天的恒星更大、更亮，它們凝聚在原初星系中——附著在巨大的、看不到的暗物質(zhì)結(jié)構(gòu)上的氣體團(tuán)。引力引導(dǎo)了這些原初星系間的后續(xù)相互作用，它們最終合并形成更大的星系。這個過程，即從早期的混亂的宇宙過渡到我們今天所知道的更有序的宇宙的過程，被認(rèn)為花了約10億年。韋布空間望遠(yuǎn)鏡在早期宇宙中發(fā)現(xiàn)的明亮星系對這一模式提出了挑戰(zhàn)。美國凱斯西儲大學(xué)的宇宙學(xué)家斯泰西·麥高（Stacy

McGaugh）說：“我們應(yīng)該看到的是很多小的原生星系碎片，它們還沒有合并成一個大星系。相反，我們看到的是一些大星系。”這些早期星系中，有些可能是冒牌貨，是籠罩在塵埃中的近得多的星系。當(dāng)我們通過亮度判斷時，這些星系看起來更暗，似乎更遠(yuǎn)。然而，智利的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣（ALMA）在去年8月份對GLASS-z13進(jìn)行的后續(xù)觀測表明，這個候選星系的情況并非如此：ALMA沒有看到大量的塵埃?！拔艺J(rèn)為，我們可以排除這是低紅移星系的可能性?！鳖I(lǐng)導(dǎo)此次觀測的日本名古屋大學(xué)天文學(xué)家托姆·巴克斯（Tom

Bakx）說。然而，缺乏塵埃意味著ALMA根本無法看到這個星系，這也表明用望遠(yuǎn)鏡對利用韋布空間望遠(yuǎn)鏡先進(jìn)能力觀測到的天體進(jìn)行驗(yàn)證觀測有多么困難。奈杜說：“好消息是沒有探測到任何東西，壞消息也是沒有探測到任何東西?！痹谶@種情況下，只有韋布空間望遠(yuǎn)鏡自己可以做后續(xù)探測。最令人吃驚的一個解釋是：傳統(tǒng)的LCDM宇宙學(xué)模型可能是錯誤的，需要修改。博伊蘭-科爾欽說：“這些結(jié)果非常令人驚訝，在我們的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型中很難理解，而且這可能不是一個小的改變。我們不得不從頭再來。”一個有爭議的想法是修改的牛頓動力學(xué)（modified

Newtonian

dynamics，MOND），它認(rèn)為暗物質(zhì)不存在，暗物質(zhì)的觀測現(xiàn)象可以通過修正在大尺度下的引力理論來解釋。到目前為止，韋布空間望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果可以支持這種理論。麥高是該理論的主要支持者之一，他說：“MOND預(yù)測的很多現(xiàn)象都被觀測到了，而這是又一個被證實(shí)的預(yù)測?！逼渌巳匀徊恍欧?，羅切斯特理工學(xué)院的天體物理學(xué)家耶翰·卡爾塔特普（Jeyhan

Kartaltepe）說：“到目前為止，我們的所有用于測試MOND的觀測現(xiàn)象都沒能給出一個令人滿意的答案?！币粋€更簡單的解決方案是，宇宙早期的星系里可能很少或沒有塵埃，這使它們看起來更明亮。這會導(dǎo)致我們算錯星系的真實(shí)質(zhì)量，也許也可以解釋ALMA沒探測到GLASS-z13的信號?！翱赡苁牵ㄔ诋?dāng)時）超新星還沒有足夠的時間來產(chǎn)生塵埃，或者是在（星系形成）的初始階段，塵埃被驅(qū)逐出了星系?！币獯罄叩葞煼秾W(xué)院的天文學(xué)家安德烈亞·費(fèi)拉拉（Andrea

Ferrara）提出了這種可能。另外，梅森和她的同事認(rèn)為，在對早期宇宙的觀測中，韋布空間望遠(yuǎn)鏡到目前可能只看到了最亮的年輕星系，因?yàn)樗鼈儜?yīng)該是最容易被發(fā)現(xiàn)的。她說：“也許在早期宇宙中發(fā)生了一些事情，使得一些星系里更容易形成恒星?！崩碚撎祗w物理學(xué)家、紐約市西蒙斯基金會的現(xiàn)任主席戴維·斯佩格爾（David

Spergel）同意這個觀點(diǎn)。他說：“我認(rèn)為我們所看到的是：在早期宇宙中大質(zhì)量的恒星形成非常高效。當(dāng)時氣體的壓力更高，溫度也更高。這種環(huán)境對恒星形成有巨大的影響。”磁場可能比我們想象的更早出現(xiàn)在宇宙中，并且驅(qū)動著物質(zhì)開始孕育恒星。斯佩格爾說：“我們可能看到了在宇宙早期出現(xiàn)磁場的跡象。”爭相打破宇宙紀(jì)錄通過分析韋布空間望遠(yuǎn)鏡最初的觀測結(jié)果，科學(xué)家快速發(fā)表了一系列論文，但這并不是一種僥幸。當(dāng)?shù)谝慌鷶?shù)據(jù)從天而降，大家都躍躍欲試。博伊蘭-科爾欽說：“各位研究人員已經(jīng)在他們自己處理數(shù)據(jù)的這套流程上工作了很多年?！辈贿^，傳統(tǒng)的同行評議過程可能需要幾個月的時間，所以天文學(xué)家紛紛在arXiv網(wǎng)站上發(fā)布論文。在這個網(wǎng)站上，科學(xué)論文可以在經(jīng)過最低限度審查后上傳，遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于正式的同行評議。新形式的同行評審也會在推特和其他社交媒體平臺上以近乎實(shí)時的方式展開。奈杜說：“這就是arXiv的科學(xué)。”這種狂熱的結(jié)果是激烈而且令人驚訝的?？臻g望遠(yuǎn)鏡研究所的臨時主任南希·利文森（Nancy

Levenson）說：“我原本估計(jì)會很熱鬧，但我低估了熱鬧的程度?！逼浣Y(jié)果是，科學(xué)成果可以被迅速公布和討論，但也有些人擔(dān)心會為此付出代價?？臻g望遠(yuǎn)鏡研究所韋布空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的科學(xué)家克勞斯·蓬托皮丹（Klaus

Pontoppidan）說：“大家有點(diǎn)急于求成，一篇經(jīng)過評審的、同行評議的論文才是金標(biāo)準(zhǔn)”。例如，韋布空間望遠(yuǎn)鏡的早期校準(zhǔn)問題可能影響了一些結(jié)果。英國曼徹斯特大學(xué)的拿單·亞當(dāng)斯（Nathan

Adams）和他的同事們發(fā)現(xiàn)，這個問題可能導(dǎo)致巨大的變化，被重新校準(zhǔn)后，一個紅移為20.4的星系變更為紅移只有0.7。亞當(dāng)斯說：“我們需要冷靜一點(diǎn)，現(xiàn)在就說我們已經(jīng)突破了宇宙，有點(diǎn)太早了?！比欢b于韋布空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的高紅移星系數(shù)量之龐大，這樣的