韦伯之谜解开了天体物理学家解释宇宙黎明时的"不可能"亮度

强烈的闪光，而不是质量，解决了不可能的亮度之谜。当科学家们看到詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）拍摄的第一批宇宙最早星系的图像时，他们感到非常震惊。这些年轻的星系看起来太亮、太大、太成熟，不可能在宇宙大爆炸后这么快就形成。这就好比一个婴儿在短短几年内就长成了大人。

这一惊人的发现甚至引起了一些物理学家对宇宙学标准模型的质疑，怀疑它是否应该被颠覆。

银河系亮度与质量

美国西北大学领导的天体物理学家小组利用新的模拟方法发现，这些星系的质量可能并没有那么大。虽然星系的亮度通常是由其质量决定的，但新的发现表明，质量较小的星系也能因不规则、灿烂的恒星形成爆发而发出同样明亮的光芒。

这一发现不仅解释了为什么年轻的星系看起来具有欺骗性的质量，而且也符合宇宙学的标准模型。

这项研究发表在10月3日的《天体物理学杂志通讯》（Astrophysical Journal Letters）上。

艺术家构想的早期星爆星系。该图像是根据用于这项研究的FIRE模拟数据绘制的，可以解释JWST最近的研究结果。恒星和星系显示为明亮的白色光点，而较分散的暗物质和气体则显示为紫色和红色。资料来源：Aaron M. Geller，西北大学，CIERA + IT-RCDS

西北大学的 Claude-André Faucher-Giguère 是这项研究的资深作者，他说："这些星系的发现是一个巨大的惊喜，因为它们比预期的要亮得多。通常情况下，星系之所以明亮是因为它很大。但由于这些星系是在宇宙黎明时形成的，因此大爆炸后的时间还不够长。这些巨大的星系怎么会如此迅速地聚集在一起呢？我们的模拟结果表明，星系在宇宙黎明时形成这种亮度是没有问题的"。

领导这项研究的孙国超补充说："关键是要在短时间内在一个系统中再现足够数量的光。之所以会出现这种情况，要么是因为系统的质量非常大，要么是因为它有能力迅速产生大量的光。在后一种情况下，系统并不需要那么大的质量。如果恒星的形成是在爆发中发生的，它就会发出闪光。这就是我们看到几个非常明亮的星系的原因。"

Faucher-Giguère是西北大学温伯格艺术与科学学院物理学和天文学副教授，也是天体物理学跨学科探索与研究中心（CIERA）的成员。Sun 是西北大学 CIERA 的博士后研究员。

了解宇宙黎明

宇宙黎明是宇宙大爆炸后大约1亿年到10亿年的一段时期，其标志是宇宙中第一批恒星和星系的形成。在 JWST 进入太空之前，天文学家对这段古老的时期知之甚少。

"JWST给我们带来了很多关于宇宙黎明的知识。在 JWST 出现之前，我们对早期宇宙的了解大多是根据极少数来源的数据推测出来的。随着观测能力的大幅提升，我们可以看到星系的物理细节，并利用这些确凿的观测证据来研究物理学，从而了解正在发生的事情。"

在这项新研究中，Sun、Faucher-Giguère 和他们的团队使用了先进的计算机模拟来模拟星系在大爆炸之后是如何形成的。模拟生成的宇宙黎明星系与 JWST 观测到的星系一样明亮。这些模拟是相对论环境反馈（FIRE）项目的一部分，Faucher-Giguère 与加州理工学院、普林斯顿大学和加州大学圣地亚哥分校的合作者共同创立了该项目。这项新研究的合作者包括来自 Flatiron 研究所计算天体物理学中心、麻省理工学院和加州大学戴维斯分校的研究人员。

FIRE模拟结合了天体物理学理论和先进的算法来模拟星系的形成。这些模型使研究人员能够探究星系是如何形成、成长和改变形状的，同时考虑到恒星返回的能量、质量、动量和化学元素。

当 Sun、Faucher-Giguère 和他们的团队运行模拟来模拟宇宙黎明时形成的早期星系时，他们发现恒星是在爆发中形成的--这一概念被称为"爆发式恒星形成"。在像银河系这样的大质量星系中，恒星以稳定的速度形成，恒星的数量随着时间的推移逐渐增加。但是，当恒星以一种交替的模式形成时，就会出现所谓的爆发式恒星形成--一下子形成许多恒星，然后是数百万年的极少数新恒星，接着又形成许多恒星。

"爆发式恒星形成在低质量星系中尤其常见，"Faucher-Giguère 说。"为什么会出现这种情况的细节仍是正在进行的研究课题。但我们认为发生的情况是，恒星形成爆发，然后在几百万年后，这些恒星以超新星的形式爆炸。气体被踢出，然后又落回，形成新的恒星，推动恒星形成的循环。但是当星系的质量足够大时，它们的引力就会更强。当超新星爆炸时，它们的引力不足以把气体抛出星系。引力将星系凝聚在一起，使其进入稳定状态。"

明亮的星系和宇宙模型

模拟还能够产生与 JWST 所揭示的相同数量的明亮星系。换句话说，模拟预测的明亮星系数量与观测到的明亮星系数量相吻合。

尽管其他天体物理学家也曾假设，爆发性恒星形成可能是宇宙黎明时星系异常明亮的原因，但西北大学的研究人员是第一个利用详细的计算机模拟来证明这是可能的。而且他们能够在不增加与我们的宇宙标准模型不一致的新因素的情况下做到这一点。

Faucher-Giguère说："星系中的大部分光线都来自质量最大的恒星。因为质量更大的恒星燃烧速度更快，所以寿命更短。它们在核反应中迅速耗尽燃料。因此，一个星系的亮度与它在过去几百万年中形成的恒星数量有更直接的关系，而不是与整个星系的质量有关。"