大爆炸後，最早的星系形成速度驚人。他們會破壞宇宙還是改變它的年齡？

這詹姆斯韋伯太空望遠鏡 (JWST)是迄今為止建造的最大、最強大的太空望遠鏡。自 2021 年 12 月推出以來，它提供了開創性的見解。這些包括發現已知最早、最遙遠的星系，它存在於大爆炸後僅 3 億年。

遙遠的物體也非常古老，因為這些物體發出的光線需要很長時間才能到達望遠鏡。詹姆斯韋伯太空望遠鏡現在發現了許多這樣的非常早期的星系。我們其實是在回顧這些物體的過去，看到它們在宇宙誕生後不久的樣子。

詹姆斯韋伯太空望遠鏡的這些觀察結果與我們目前對宇宙學（旨在解釋宇宙的科學學科）和宇宙學的理解相一致。。但它們也揭示了我們意想不到的面向。許多這些早期星系更加閃耀考慮到它們在大爆炸後不久就存在，超出了我們的預期。

人們認為更亮的星系擁有更多的恆星和更大的質量。人們認為這種水平的恆星形成需要更多的時間。這些星系的中心也有活躍生長的黑洞——這表明這些物體在大爆炸後迅速成熟。那我們該如何解釋這些令人驚訝的發現呢？它們是否打破了我們的宇宙學觀念或需要改變宇宙的年齡？

透過將 JWST 的詳細圖像與其強大的光譜功能相結合，科學家已經能夠研究這些早期星系。光譜學是一種解釋空間物體發射或吸收的電磁輻射的方法。這反過來又可以告訴您物件的屬性。

我們對宇宙學和星系形成的理解依賴於一些基本思想。其中之一是宇宙學原理，它指出，在大尺度上，宇宙是均勻的（各處相同）和各向同性的（所有方向相同）。結合愛因斯坦的廣義相對論，這原理使我們能夠將宇宙的演化（它如何膨脹或收縮）與其能量和質量含量聯繫起來。

標準宇宙學模型，稱為「熱大爆炸」理論，包括三個主要組成部分或成分。一是我們肉眼可以看到的星系、恆星和行星中的普通物質。第二種成分是(CDM)，不發射、吸收或反射光的緩慢移動的物質粒子。

第三個組成部分是已知的宇宙常數（？或 lambda）。這與一個叫做是一種解釋事實的方式宇宙正在加速膨脹。這些組件共同構成了所謂的?CDM模式宇宙學。

暗能量約佔當今宇宙總能量的68%。

儘管無法用科學儀器直接觀測到，但暗物質被認為構成了宇宙中的大部分物質，約佔宇宙總質量和能量的 27%。

雖然暗物質和暗能量仍然神秘，但宇宙學的 ?CDM 模型得到了廣泛的詳細觀測的支持。其中包括宇宙膨脹的測量、宇宙微波背景輻射，或 CMB（大爆炸的「餘輝」）以及星系的發展及其大規模分佈？

?CDM 模型為我們理解星系如何形成和演化奠定了基礎。例如，宇宙微波背景輻射（CMB）是在大約 38 萬年後發射的。大霹靂，提供了早期宇宙中發生的早期密度波動的快照。這些波動，特別是暗物質中的波動，最終發展成為我們今天觀察到的結構，例如星系和恆星。

恆星是如何形成的

星系的形成由受許多不同物理現象影響的複雜過程組成。其中一些機制尚未完全了解，例如哪些過程控制星系中的氣體如何冷卻和凝結形成恆星。

超新星、恆星風和黑洞的影響會釋放大量能量（有時稱為活動星系核，或 AGN）都可以從星系加熱或排出氣體。這反過來又可以促進或減少恆星的形成，從而影響星系的生長。

人們對這些「回饋過程」的效率和規模以及它們隨時間的累積影響知之甚少。它們是星系形成的數學模型或模擬中不確定性的重要來源。

過去十年來，星系形成的複雜數值模擬取得了重大進展。仍然可以從將恆星形成與暗物質暈演化聯繫起來的更簡單的模擬和模型中獲得見解和提示。這些光暈是由暗物質構成的巨大的、看不見的結構，可以有效地將星系錨定在其中。

星系形成的一種更簡單的模型假設星系中恆星形成的速度與流入這些星系的氣體直接相關。該模型也提出，星系中的恆星形成速率與暗物質暈生長的速率成正比。它假設將氣體轉化為恆星的效率是固定的，與宇宙時間無關。

這「恆定恆星形成效率」模型與大爆炸後最初十億年恆星形成急劇增加的情況一致。這段時期暗物質暈的快速成長為星係有效形成恆星提供了必要的條件。儘管很簡單，但該模型已成功預測了廣泛的實際觀測結果，包括整個宇宙時間內恆星形成的總體速率。

第一個星系的​​秘密

JWST 開創了探索的新時代。憑藉先進的儀器，太空望遠鏡可以捕捉詳細的圖像和高解析度光譜圖，顯示天空中物體發射或吸收的電磁輻射的強度。對於 JWST，這些光譜位於電磁光譜的近紅外線區域。研究這個區域對於觀察早期星系至關重要，隨著宇宙的膨脹，早期星系的可見光已變成近紅外光（或“紅移”）。

紅移描述了星系發出的光的波長在傳播過程中如何被拉伸。星系距離越遠，其紅移越大。

在過去的兩年中，JWST 已經識別並表徵了紅移值在 10 到 15 之間的星系。星系形成於大爆炸後約 200-5 億年，對於星系來說相對較小（約 100 秒差距，即 3 兆公里）。它們各自由大約 1 億顆恆星組成，並以每年大約一顆類太陽恆星的速度形成新恆星。

雖然這聽起來不太令人印象深刻，但它意味著這些系統的恆星含量僅在一億年內就翻了一番。相比之下，我們的銀河系需要大約 250 億年才能將其恆星質量增加一倍。

早期星系形成

詹姆斯韋伯太空望遠鏡關於高紅移或距離的明亮星系的令人驚訝的發現可能意味著這些星系在大爆炸後成熟的速度比預期的要快。這很重要，因為它將挑戰現有的星系形成模型。上述恆定恆星形成效率模型雖然可以有效地解釋我們所看到的大部分現象，但很難解釋觀測到的大量紅移超過 10 的明亮且遙遠的星系。

為了解決這個問題，科學家們正在探索各種可能性。其中包括對氣體隨著時間的推移如何有效轉化為恆星的理論的改變。他們也正在重新考慮反饋過程的相對重要性——超新星和黑洞等現像如何幫助調節恆星形成。

一些理論表明，早期宇宙中的恆星形成可能比之前想像的更加強烈或“爆發”，從而導致快速成長這些早期星系及其表觀亮度。

其他人則提出，不同的因素，例如星系塵埃數量較少、恆星質量的頭重腳輕的分佈，或者活動黑洞等現象的貢獻，可能是造成這些早期星係意想不到的亮度的原因。

這些解釋引用了星系形成物理學的變化來解釋 JWST 的發現。但科學家也一直在考慮對廣泛的宇宙論進行修改。例如，早期明亮星系的豐富性可以部分地透過物質功率譜的變化來解釋。這是描述宇宙密度差異的一種方式。

實現物質功率頻譜變化的一種可能機制是一種稱為“早期暗能量”。這種觀點認為，一種與暗能量相似的新宇宙能源可能在早期就已經存在，紅移為 3000。這是在 CMB 發射之前，也就是大爆炸之後 38 萬年。

在宇宙演化階段（稱為複合）之後，這種早期暗能量會迅速衰變。有趣的是，早期暗能量也可以緩解哈伯張力？宇宙的年齡。

2023年發表論文1篇顯示 JWST 的星系發現需要科學家將宇宙的年齡拉長數十億年。

然而，其他現像也可以解釋這些明亮的星系。在 JWST 的觀測結果被用來改變宇宙學的廣泛觀念之前，對星系中的物理過程有更詳細的了解是至關重要的。

目前由 JWST 確定的最遙遠星系的記錄保持者是稱為 JADES-GS-z14-0。迄今為止收集的數據顯示這些星系具有多種不同的特性。

有些星系顯示出擁有正在發射能量的黑洞的跡象，而有些星系似乎擁有年輕、無塵的恆星群。由於這些星系微弱且觀測成本高（需要花費數小時的曝光時間），迄今為止，只有20個紅移大於10的星係被光譜觀測到，並且需要數年時間才能建立統計樣本。

不同的攻擊角度可能是對宇宙後期星系的觀測，當時宇宙已經有 10 億到 20 億歲（紅移在 3 到 9 之間）。詹姆斯韋伯太空望遠鏡的功能使研究人員能夠獲得來自這些天體中的恆星和氣體的關鍵指標，這些指標可用於限制星系形成的整體歷史。

打破宇宙？

在 JWST 運行的第一年，有人聲稱一些最早的星系具有極高的恆星質量（其中包含的恆星質量），並且需要改變宇宙學以適應早期宇宙中存在的明亮星系。他們甚至被戲稱為「宇宙破壞者」星系。

不久之後，人們發現這些星係並沒有破壞宇宙，但它們的特性可以透過一系列不同的現象來解釋。更好的觀測數據表明，到某些天體的距離被高估了（這導致了對其恆星質量的高估）。

這些星系發出的光可以由恆星以外的來源提供動力，例如吸積。模型或模擬中的假設也可能導致這些星系中恆星總質量的偏差。

隨著 JWST 繼續其使命，它將幫助科學家完善他們的模型並回答有關我們宇宙起源的一些最基本的問題。它應該能夠解開更多關於宇宙早期的秘密，包括這些明亮而遙遠的星系之謎。

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