James Webb Telescope正在改变天文学家对早期宇宙的理解

# 詹姆斯·韦布望远镜正在改变天文学家对远古宇宙的理解 来源：https://www.wired.com/story/james-webb-space-telescope-changing-astronomers-universe/ 当夏洛特·梅森思考宇宙谜团时，她喜欢随手涂鸦。“我是一个相当视觉化的人，”她说，“我通常会画很多图，试图理解正在发生的事情。” 梅森是哥本哈根宇宙黎明中心的天体物理学家，她最近一直在纸上画满“小红点”的草图——这些令人困惑的天体是詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）拍摄的图像中成百上千次被发现的。在2022年望远镜投入使用之前，人们从未见过这些小红点。但我们现在知道，它们在大爆炸后约6.5亿年开始大量出现。 这些红点只是JWST对早期宇宙观测中涌现出的激动人心的谜团之一。其他谜团还包括那些看起来与其年龄极不相称的黑洞，以及挑战我们对大爆炸后最初十亿年认知的古老星系。起初，科学家们感到震惊：JWST揭示的宇宙与我们对天体物理学的理解完全对不上。现在，一波新理论提供了诱人的解答——但哪些理论描绘了现实，仍是一个悬而未决的问题。 最近的想法表明，小红点可能是被厚厚气体包裹的黑洞，或许代表一种全新的天体类型，称为“黑洞星”，其中紧密的气体包层像恒星大气一样发出光芒。 “这将是那个黑洞，”梅森说着，画了一个小圆圈并涂满它，“我可能会给它加一个吸积盘，因为我们认为部分辐射来自那里。”她在圆圈中心划了一条线，“然后，一种天真的图景就是黑洞周围环绕着这团致密气体云。”她又画了一个更大的圆圈包围着这个天体。 但梅森认为这些宇宙谜团可能还有更多内涵。她和同事们最近分析了一个小红点发出光的频谱。如果致密云图景是正确的，那么部分光应该因为穿过气体而发生改变——但他们看到的并非如此。 JWST在早期宇宙中发现的谜一般小红点的样本。 JWST在早期宇宙中发现的谜一般小红点的样本。 图片由Jorryt Matthee提供。数据来自EIGER/FRESCO巡天项目。“现在该怎么办？重新开始。但如果我把气体变成团块状的，”梅森说着，画了一个新图，黑洞周围的气体云中有空洞，“我应该就能得到看起来更接近的信号了。” 在世界各地，像梅森这样的研究人员正急切地拼凑JWST对远古宇宙的一瞥，以描绘出我们宇宙起源的更清晰图景。就像那些穿越数十亿光年到达我们的光子一样，新的碎片也在不断落入正确的位置。 ## 宇宙的无底深渊 由于JWST不断发现那些用既有理论难以解释的、过于巨大的古老黑洞——实在大得离谱——黑洞的故事变得更加复杂了。 大爆炸之后不久，宇宙大体上是无特征且平滑的。然而仅仅几亿年之后，“我们就已经看到数十亿太阳质量的黑洞在增长，”普林斯顿大学天体物理学家珍妮·格林说，“要让它们这么快变得那么大，你必须做各种高难度动作。” 科学家关注影响黑洞大小的两个关键因素：黑洞“种子”在诞生时的质量有多大，以及这些种子在之后生长得有多快。但很难解释黑洞是如何要么一开始就足够大，要么长得足够快，从而在宇宙早期达到太阳质量的十亿倍。 在现代宇宙中，黑洞形成于大质量恒星的核心耗尽燃料并坍缩之时。格林说，考虑到第一批恒星质量相当大，它们可能留下了质量高达约100倍太阳质量的黑洞种子。 “我们知道这种情况会发生，但要让他们这么快达到十亿倍太阳质量真的非常非常难，”她说，“你必须强行喂食它们。” 科学家历来认为，黑洞的成长速度存在一个硬性上限。当物质落向黑洞时，它会像水流入排水管一样旋转，并变得炽热。这个“吸积盘”产生的辐射会反推飞入的物质，阻止黑洞吞噬更多。这个摄入极限被称为爱丁顿极限，应该使得黑洞无法在可用时间内成长数千万倍以上。 但最近的计算机模拟表明，黑洞可能有一条后路。如果吸积盘以恰到好处的方式膨胀，进入的气体就能压倒辐射压力。这种“超爱丁顿”吸积会导致气体以非凡的速度涌入。 即便如此，天文学家也不知道当时是否有足够的气体来产生最大的黑洞。一些研究人员认为，古老的致密星团可能产生了大量黑洞种子，并迅速合并。 图片可能包含广告和海报 插图：Mark Belan/Quanta Magazine 又或许，超大质量黑洞根本就不是从恒星开始的。在这种情况下，巨大的气体云会直接坍缩成黑洞。这种“直接坍缩”机制可以形成一个约为太阳质量1万倍的种子。 “直接坍缩图景的问题在于，它需要极其恰到好处的条件，”格林说。要使直接坍缩发生，一个庞大的气体云必须一次性压缩成一个黑洞，而不能先碎裂成会形成恒星的较小云团。这需要特定的气体化学成分，而且云团的旋转必须缓慢。 “当人们试图在计算机中做到这一点时，他们可以制造出这些直接坍缩黑洞，但无法制造出足够多来解释我们看到的全部黑洞，”格林说。 每一种理论都有一些证据支持。2024年，JWST观测到一个大约在大爆炸后15亿年的黑洞，以约40倍爱丁顿极限的速度吞噬物质。如果宇宙更早时期的黑洞也以这种方式填饱自己，那么其中最大的那些可能是从相对较小的种子开始的。 大爆炸后最初5.5亿年内一个星系形成的模拟。从左到右的面板分别代表暗物质、气体和恒星。 模拟：Zack Andalman/Princeton University然而最近，研究人员对一个来自大爆炸后约7.5亿年的小红点进行了长时间观测，这个小红点被前景星系团引力透镜化。他们得出结论，这个天体是一个“裸露”的超大质量黑洞，估计质量约为太阳的5000万倍，周围没有任何可辨别的恒星。如果这个质量估计正确，那么暗示该黑洞可能是在任何星系存在之前，通过直接坍缩等方式形成的一个大种子。 “显然，黑洞的增长方式存在我们尚未完全理解的差异，”格林说，“所以对我来说，现在最激动人心的事情是尝试从物理上理解到底有什么不同？” ## 构筑星系 就像那些看起来太大的早期黑洞一样，JWST发现的许多早期星系也显得太亮了。为了弄清原因，研究人员正在重新评估他们关于星系如何形成的想法。 大爆炸后大约2亿年，幼年宇宙与今天相比又小、又密、又热。随着它膨胀和冷却，暗物质凝聚成大团块，科学家称之为晕。这些不发光的晕的引力将氢和氦气体拉入巨大的丝状结构中，这些气体在环绕它们的黑暗球体核心汇聚。一旦积累了足够的气体，极端的压力就点燃了核聚变的火焰，照亮了第一批恒星，它们被引力聚拢在一起，形成了第一批星系。 天文学家通常用红移来描述这些事件发生的时间，红移衡量的是早期天体发出的光被宇宙膨胀拉伸了多少。 “在大约红移15（大爆炸后2.7亿年）之前，没有太多事情发生，然后大量气体开始沿着这些丝状结构涌入，”蕾切尔·萨默维尔说，她是纽约弗拉蒂伦研究所研究星系形成的高级研究科学家。2026年4月，她在丹麦赫尔辛格的一次会议上展示了新的计算机模拟。在一间俯瞰波罗的海和北海之间海峡的会议室里，来自世界各地的100多名研究人员聚集一堂，讨论宇宙婴儿期的谜团。投影屏幕上闪烁著暗物质、气体和星光的彩色可视化图像。 “大约到红移11（4.2亿年）时，恒星形成速率开始真正加快，”她继续说道，“在红移9（5.5亿年）时，我们造出了一个漂亮的星系。” 大爆炸后约5亿年，星团合并形成一个星系。 大爆炸后约5亿年，星团合并形成一个星系。 可视化：James Sunseri/Princeton University屏幕上的星系代表了早期星系群，但JWST迄今发现的最古老星系存在于大爆炸后仅2.8亿年。望远镜对明亮早期星系的令人困惑的发现，最初让一些科学家认为我们对基础宇宙学——即支配早期宇宙能量和物质行为的规律——的理解可能存在缺陷。但在研究了这些原始天体几年之后，理论家们现在有了几种模型来解释它们的亮度和丰富程度。 “我们几乎从拥有太多早期星系，变成了拥有太多解释它们的理论，”萨默维尔对在场的人说。 也许第一批星系将气体转化为恒星的效率比之前认为的更高。或者它们经历了由湍流条件驱动的周期性恒星形成爆发。又或者早期恒星形成区倾向于产生大质量、极其明亮的恒星。许多天体物理学家认为，这些因素中的某些组合（也许还有其他因素）促成了星系的发展。 为了检验这些新想法，研究人员正在通过模拟探索婴儿期宇宙。“实际上，自从韦布发射以来，特别是在过去一年左右，数值模拟取得了非常显著的进展，”萨默维尔对与会者说，并补充说这些新模拟“可能更适合、也更能为解读高红移宇宙的观测提供信息。” 随着这些模型不断改进，JWST正在记录越来越多的星系。通过将它在早期宇宙中看到的景象与试图解释原因的模拟进行比较，研究人员正一步步接近揭示宇宙黎明的真实本质。 “我们可以尝试将观测到星系的最佳对应物与模拟相匹配，”哈基姆·阿泰克说，他是索邦大学巴黎天体物理研究所的天体物理学家。“一旦你找到了这个最佳匹配，你就可以查看恒星形成历史，因为在模拟中你可以获取星系的完整历史。” 一个有趣的线索最近来自JWST的中红外仪器（MIRI），这是一种超冷装置，可以分解遥远天体的光。MIRI揭示出，早期星系并不像科学家们假设的那样具有相同的特征。 “主要的惊喜是我们在早期时代看到的星系性质的多样性，”阿泰克说，“你会预期它们看起来是一样的。” 这种多样性可能表明恒星形成的爆发式发生，星系在聚变恒星的时期之间循环，恒星爆炸并喷射出气体云，阻止恒星的诞生，直到气体再次聚集并引发新一轮恒星诞生。 “其中一些看起来像是清空了所有存在的星际介质，即气体和尘埃。就像你只看到裸露的恒星一样，”阿泰克说，“另一个星系则相反。它有大量气体。” 另一个线索来自一组氮含量过高的星系。这种元素的存在表明早期宇宙中可能存在大量特别大质量的恒星。在模拟中，这些大质量恒星在超新星爆炸并将该元素散布到宿主星系之前，产生了过量的氮。 有朝一日，研究人员可能会揭示星系形成的全貌。在那之前，他们将继续在新观测和模拟中筛选线索。 ## 存在之谜 一旦恒星亮起，宇宙就发生了转变。来自早期星系和黑洞的辐射电离了中性氢气的海洋，在宇宙薄雾中雕琢出巨大的气泡。研究人员称这一时期为“再电离”，因为这是宇宙第二次被电离。它标志着宇宙黑暗时代的结束，那时雾蒙蒙的深渊里没有恒星。 第一批恒星被认为比太阳大数百或数千倍，它们猛烈地消耗着氢和氦燃料，并以强大的超新星爆发结束生命，为宇宙播撒了碳、氮、氧、磷和铁等新元素——这些是行星和生命的原料。 在许多方面，那些第一批恒星是宇宙的母亲。“我们正在回望创造了我们的东西，”宇宙黎明中心的天体物理学家莉丝·克里斯滕森说。 也许很合适的是，最近这场讨论宇宙起源的会议在赫尔辛格举行，距离激发《哈姆雷特》中艾尔西诺城堡灵感的地方不远。在剧中，莎士比亚笔下的丹麦王子哀叹道： > 这一层苍苍的天盖，这一顶壮丽的帐幕，点缀着金色的火球——唉！在我看来，不过是污浊瘴气的一团集合。人类是一件多么了不得的杰作！多么高贵的理性！多么伟大的力量！……可是在我看来，这一个泥土塑成的生命算得了什么？ 尽管这是对存在的悲戚沉思——宇宙是“污浊瘴气的一团集合”，人类是“泥土塑成的生命”——但我们现在知道，哈姆雷特的描述比莎士比亚可能意识到的更具科学准确性。我们确实是由恒星中锻造、以气体和尘埃形式抛入虚空的元素构成的。 然而，与在艾尔西诺自怨自艾的哈姆雷特不同，研究宇宙起源的科学家们对这些宇宙开端感到无比兴奋。 *原文（https://www.quantamagazine.org/astrophysicists-puzzle-over-webbs-new-universe-20260702/）经Quanta Magazine（https://www.quantamagazine.org/）许可转载，该杂志是**Simons Foundation*（https://www.simonsfoundation.org/）旗下编辑独立的出版物，其使命是通过报道数学以及物理和生命科学的研究发展与趋势，增进公众对科学的理解。*