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宇宙史的开篇会被改写吗

赵庆秋

2023-02-13 03:25

乔纳森·奥卡拉汉 程诚(译)
光明日报


引言

 

随着韦布空间望远镜第一批科学数据的公布,天文学家争先恐后地在网上发布了自己的研究成果,“最遥远星系”的纪录被一次次打破。遥远对应着古老,这些星系古老到在宇宙刚诞生仅几亿年后就已出现。但在天文学家的模型中,那时初生的宇宙还不足以产生这样的星系。

这些成果已经超出了科学家最乐观的预期,它们究竟是否可靠还有待证实。但至少可以肯定,韦布空间望远镜将再次改写我们对宇宙的认知。

 

打破既有认知

 

当罗恩·奈杜(Rohan Naidu)发现那个几乎违背了宇宙学的星系时,他正在家里陪着女朋友。去年7月的一个深夜,在美国麻省理工学院工作的奈杜用自己写的算法检索韦布空间望远镜(JWST)获取的早期图像,其中一个发现立刻引起了他的注意。算法筛选出了一个质量大得令人费解的天体,时间也可以追溯到宇宙大爆炸后的3亿年,比此前看到的任何星系都要古老。“我马上叫我女朋友过来,”奈杜说,“我告诉她:‘这可能是我们见过的最遥远的星光。’”在与他的一位合作者交换了“带有大量感叹号”的兴奋信息后,奈杜开始工作。几天后,他们发表了一篇关于该候选星系的论文,并将这一星系称为“GLASS-z13”。互联网立刻被引爆,奈杜说:“这传遍了全世界。”

在韦布空间望远镜全面运行的短短几周内,这个星系的发现就已经超出了天文学家最疯狂的想象。韦布空间望远镜——有史以来从地球上发射的尺寸最大、能力最强的天文望远镜——正是为了彻底革新我们对宇宙的理解而建造的。为了避开地球的干扰,这个望远镜位于距离地球150万千米远的地方,网球场大小的遮阳板使其温度接近绝对零度,巨大的拼合镜面和极其敏感的仪器都经过精心设计,用于揭示以前从未观测到的宇宙黎明的细节。

这是一段几乎从未被探索过的时代(宇宙大爆炸发生后的几亿年内),当时第一代恒星和星系逐渐聚合在了一起。究竟该如何描述这个阶段的细节,还取决于我们对一些奇异状态下的物理学的理解,包括暗物质和暗能量产生的难以预料的影响,以及我们至今仍然认知尚浅的星光、气体和尘埃之间的反馈作用。借助JWST从宇宙黎明时期窥探到的星系,宇宙学家可以测试他们对这些基本现象的认知——要么确认他们最认可的模型的有效性,要么揭示当前理论依然存在欠缺,而这可能预示着更深刻的新发现。

科学家曾认为,这样的观测可能需要花些时间。据最初的预测,第一批星系是如此之小如此之暗,以至于韦布空间望远镜的先导研究中最多只能找到几个令人感兴趣的候选体。然而事情并没有完全按预期展开,当第一批图像发布后,像奈杜这样的天文学家从中发现了许多星系,这些星系的表观年龄、大小和亮度明显超过了原有的预测。这种发现的竞争非常激烈:似乎每天都有一个研究小组宣称,他们找到了另一个破纪录的“已知最早星系”。丹麦哥本哈根大学的天体物理学家夏洛特·梅森(Charlotte Mason)说:“大家都被震惊了,真没有想到会这样。”

在发现这些令人意外的“早熟”星系后,理论天文学家和观测天文学家争相给出解释。这些大到异常、亮到异常的早期星系会不会只是一种假象,也许是在分析望远镜获取的原始观测数据时存在缺陷?如果星系是真的,它们能否以某种方式被标准宇宙学模型所解释?或者,有没有可能,它们是首先映入我们眼帘的证据,暗示着宇宙比我们最大胆的理论设想还要奇怪和复杂?

这关系到我们应该怎么理解已知的有序宇宙是如何从原始的混沌中出现的。韦布空间望远镜的早期结果可能改写宇宙史的开篇,而这不仅涉及宇宙的黎明和遥远的星系,还涉及我们熟悉的银河系中,人类自身的存在。欧洲空间局(ESA)科学与探索高级顾问、韦布空间望远镜科学家马克·麦考雷安(Mark McCaughrean)说:“建造这些机器不是为了验证以前的理解,而是为了打破它,你只是不知道它将如何被打破。”

 

凝视宇宙晨曦

 

有人可能会说,韦布空间望远镜对早期星系的观测已经经历了漫长的酝酿,但更合适的说法是,这可以追溯到1985年的美国空间望远镜研究所(STScI)。当时距离哈勃空间望远镜通过航天飞机发射还有5年时间,时任空间望远镜研究所副主任的加思·伊林沃思 (Garth Illingworth)惊讶于他的老板里卡尔多·贾科尼(Riccardo Giacconi19312018,当时的主任)要他设想哈勃空间望远镜的继任者。“我抗议说,我们在哈勃上的工作已经够多了。”伊林沃思回忆道。但贾科尼坚持说:“相信我,这将需要很长的时间。”于是,伊林沃思和其他一些人开始为新一代太空望远镜(Next Generation Space TelescopeNGST)起草概念性的设想,后来它以美国航空航天局(NASA)前局长的名字重命名为韦布空间望远镜。

哈勃空间望远镜为天文学带来了变革,但天文学家知道,它的能力仍受限于观测所用的可见光。当非常遥远的星光穿过深邃的宇宙,它的波长会被宇宙膨胀拉长,而波长的增加被称为红移。红移值越高,光线经历的拉伸就越多,对应的星系也就越遥远。早期星系的红移是如此之高,以至于它们发出的可见光在到达我们的望远镜时已经被拉伸成了红外线,这就是为什么哈勃望远镜看不到它们。相比之下,新一代太空望远镜将在红外波段进行观测,它收集星光的镜面非常大(也非常冷),使其能够更深入地窥视宇宙。伊林沃思说:“每个人都意识到韦布望远镜将成为观测早期星系的望远镜,这成为了主要的科学目标。”

199512月,当天文学家决定将哈勃对准一片看似空旷的天空连续观测10天后,类似的需求开始显著增长。虽然当时许多专家预测,这样长时间的观测只是浪费资源,最多只能发现少数几个暗淡的星系,但恰恰相反,这次付出得到了丰厚的回报。由此产生的图像,即“哈勃深场”,显示那个“空旷”的地方填满了数千个星系,一直延伸到120亿年前,而宇宙历史不过138亿年。“到处都是星系。”伊林沃思说,他现在是加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的天体物理学家。“哈勃深场”显示,早期宇宙甚至比大多数人预期的更加拥挤和令人兴奋,为那些花时间和精力去观测的人提供了观测宝藏。然而,尽管“哈勃深场”令人印象深刻,但天文学家还想得到更多。

经过20多年的努力和100亿美元的资金投入,韦布空间望远镜终于在2021年圣诞节被发射。这之后一个月,这个望远镜到达了它的目的地,并在那里经历详尽的测试以优化性能。20227月,韦布空间望远镜已经准备好被启动,并进行备受期待的首年科学观测。在初期,望远镜的部分观测时间将用于一些有影响力的项目,这些数据也会被立即公开。其中的两个项目是,CEERSthe Cosmic Evolution Early Release Science Survey,宇宙演化早期发布科学巡天)和GLASSthe Grism LensAmplified Survey from Space,空间光栅透镜放大测量)。这两个项目分别耗费了几十个小时,通过观测天空中不同方向的小天区来寻找早期宇宙中的星系。人们对结果的预期不高——也许它的所获确实会比“哈勃深场”稍微华丽一些,但也仅此而已。得克萨斯大学奥斯汀分校的史蒂文·芬克尔斯坦(Steven Finkelstein)是CEERS的负责人,他说,可能在那几个项目都获取了大量数据后,那些极其遥远的星系才会出现吧。

不过令天文学家惊讶的是,极其遥远的星系立即就被发现了。在哈勃望远镜的观测记录中,最遥远星系是GN-z11,发现于2015年,红移为11。这一发现主要归功于望远镜在2009年升级的红外设备。红移11对应的宇宙年龄大约为4亿年,这被认为是星系开始形成的起点。但是,从最早的GLASS数据中,两个团队(其中一个由奈杜领导,参与了那场扣人心弦的深夜发现)各自独立发现了GLASS-z13,它的红移是13,又早了大约7000万年。

在速战速决的筛选中,研究人员只是基于简单的亮度测量来估算红移。这比直接测量光谱红移容易得多,但没有那么精确,而直接测量红移需要更多的观测时间。尽管如此,这种简化的红移测量技术也可以很准确,它还表明存在一个亮到出奇、大到出奇的星系,拥有大量恒星,质量相当于太阳的10亿倍,虽然恒星数量仅有银河系的几百分之一,却比银河系年轻几十亿年。加利福尼亚大学洛杉矶分校的天文学家、GLASS项目负责人托马索·特雷乌(Tommaso Treu)说:“这超出了我们最乐观的预期。”

这个记录并没有持续很久。在接下来的几天里,来自CEERSGLASS的几十个候选星系突然出现在天文学家的视野中,它们的红移估计高达20——仅仅是在大爆炸之后的1.8亿年。其中一些还具有盘状结构,这也明显不同于科学家预期的早期宇宙中的星系。同时,另一个小组发现了一个红移为10的星系,相当于它在大爆炸后不到5亿年的时间里,就发展到了与我们银河系相当的规模。

这样的庞然大物如此迅速地出现,突破了宇宙演化标准模型的预言。这个模型又被称为含宇宙学常数的冷暗物质模型(LCDM),包含了天文学家对暗能量和暗物质特性的最佳估计,它们共同主导着大尺度宇宙结构的出现(其中L指的是宇宙学常数,也就是暗能量,而“CDM”指的是相对“冷”的暗物质)。得克萨斯大学奥斯汀分校的宇宙学家迈克尔·博伊兰-科尔钦(Michael Boylan-Kolchin)说:“即使你把所有可以用来形成恒星的东西都拿出来,施展一个神奇的魔法,仍然不可能在那么早期得到那么大的星系。这将是一场真正的革命。”

 

如何创造星系

 

为了理解这个矛盾,我们需要简要地做个天文学知识的复习。在大爆炸后的第一秒,我们的宇宙是一团热到难以想象的致密原初粒子汤。在接下来的三分钟里,随着宇宙的膨胀和冷却,氦原子核和其他非常轻的元素的原子核开始形成。快进40万年后,宇宙已经冷到足以让第一个原子出现。当宇宙有大约1亿年的历史时,理论天体物理学家认为,条件终于适合第一批恒星出现了。这些主要由氢和氦组成的巨大火球还没有被现代恒星中较重的元素污染,因此它们具有明显不同的特性。这些最早的太阳比今天的恒星更大、更亮,它们凝聚在原初星系中——附着在巨大的、看不到的暗物质结构上的气体团。引力引导了这些原初星系间的后续相互作用,它们最终合并形成更大的星系。这个过程,即从早期的混乱的宇宙过渡到我们今天所知道的更有序的宇宙的过程,被认为花了约10亿年。

韦布空间望远镜在早期宇宙中发现的明亮星系对这一模式提出了挑战。美国凯斯西储大学的宇宙学家斯泰西·麦高(Stacy McGaugh)说:“我们应该看到的是很多小的原生星系碎片,它们还没有合并成一个大星系。相反,我们看到的是一些大星系。”这些早期星系中,有些可能是冒牌货,是笼罩在尘埃中的近得多的星系。当我们通过亮度判断时,这些星系看起来更暗,似乎更远。然而,智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵(ALMA)在去年8月份对GLASS-z13进行的后续观测表明,这个候选星系的情况并非如此:ALMA没有看到大量的尘埃。“我认为,我们可以排除这是低红移星系的可能性。”领导此次观测的日本名古屋大学天文学家托姆·巴克斯(Tom Bakx)说。然而,缺乏尘埃意味着ALMA根本无法看到这个星系,这也表明用望远镜对利用韦布空间望远镜先进能力观测到的天体进行验证观测有多么困难。奈杜说:“好消息是没有探测到任何东西,坏消息也是没有探测到任何东西。”在这种情况下,只有韦布空间望远镜自己可以做后续探测。

最令人吃惊的一个解释是:传统的LCDM宇宙学模型可能是错误的,需要修改。博伊兰-科尔钦说:“这些结果非常令人惊讶,在我们的标准宇宙学模型中很难理解,而且这可能不是一个小的改变。我们不得不从头再来。”一个有争议的想法是修改的牛顿动力学(modified Newtonian dynamicsMOND),它认为暗物质不存在,暗物质的观测现象可以通过修正在大尺度下的引力理论来解释。到目前为止,韦布空间望远镜的观测结果可以支持这种理论。麦高是该理论的主要支持者之一,他说:“MOND预测的很多现象都被观测到了,而这是又一个被证实的预测。”其他人仍然不信服,罗切斯特理工学院的天体物理学家耶翰·卡尔塔特普(Jeyhan Kartaltepe)说:“到目前为止,我们的所有用于测试MOND的观测现象都没能给出一个令人满意的答案。”

一个更简单的解决方案是,宇宙早期的星系里可能很少或没有尘埃,这使它们看起来更明亮。这会导致我们算错星系的真实质量,也许也可以解释ALMA没探测到GLASS-z13的信号。“可能是(在当时)超新星还没有足够的时间来产生尘埃,或者是在(星系形成)的初始阶段,尘埃被驱逐出了星系。”意大利高等师范学院的天文学家安德烈亚·费拉拉(Andrea Ferrara)提出了这种可能。另外,梅森和她的同事认为,在对早期宇宙的观测中,韦布空间望远镜到目前可能只看到了最亮的年轻星系,因为它们应该是最容易被发现的。她说:“也许在早期宇宙中发生了一些事情,使得一些星系里更容易形成恒星。”

理论天体物理学家、纽约市西蒙斯基金会的现任主席戴维·斯佩格尔(David Spergel)同意这个观点。他说:“我认为我们所看到的是:在早期宇宙中大质量的恒星形成非常高效。当时气体的压力更高,温度也更高。这种环境对恒星形成有巨大的影响。”磁场可能比我们想象的更早出现在宇宙中,并且驱动着物质开始孕育恒星。斯佩格尔说:“我们可能看到了在宇宙早期出现磁场的迹象。”

 

争相打破宇宙纪录

 

通过分析韦布空间望远镜最初的观测结果,科学家快速发表了一系列论文,但这并不是一种侥幸。当第一批数据从天而降,大家都跃跃欲试。博伊兰-科尔钦说:“各位研究人员已经在他们自己处理数据的这套流程上工作了很多年。”不过,传统的同行评议过程可能需要几个月的时间,所以天文学家纷纷在arXiv网站上发布论文。在这个网站上,科学论文可以在经过最低限度审查后上传,远远早于正式的同行评议。新形式的同行评审也会在推特和其他社交媒体平台上以近乎实时的方式展开。奈杜说:“这就是arXiv的科学。”这种狂热的结果是激烈而且令人惊讶的。空间望远镜研究所的临时主任南希·利文森(Nancy Levenson)说:“我原本估计会很热闹,但我低估了热闹的程度。”

其结果是,科学成果可以被迅速公布和讨论,但也有些人担心会为此付出代价。空间望远镜研究所韦布空间望远镜项目的科学家克劳斯·蓬托皮丹(Klaus Pontoppidan)说:“大家有点急于求成,一篇经过评审的、同行评议的论文才是金标准”。例如,韦布空间望远镜的早期校准问题可能影响了一些结果。英国曼彻斯特大学的拿单·亚当斯(Nathan Adams)和他的同事们发现,这个问题可能导致巨大的变化,被重新校准后,一个红移为20.4的星系变更为红移只有0.7。亚当斯说:“我们需要冷静一点,现在就说我们已经突破了宇宙,有点太早了。”

然而,鉴于韦布空间望远镜发现的高红移星系数量之庞大,这样的问题不太可能排除所有的高红移星系。芬克尔斯坦说:“更有可能的是,早期宇宙与我们预先设想的不一样,我们全都错了的可能性很小。”天文学家现在正竞相用韦布空间望远镜进行后续观测。利文森说,她目前正在审查不同团队的十几项申请,要求增加韦布空间望远镜的观测时间,其中大多数是为了仔细鉴定高红移星系的候选体。特雷乌也提交了一份观测申请,他说:“考虑到这些令人兴奋的早期发现的重要性,我们认为有必要再申请一点观测时间来确认红移。”

更多即将推进的项目将用于寻找遥远的星系,例如卡尔塔特普领导的COSMOS-Webb,该项目将对更广阔的天空进行数百小时的观测,预计能极大增加已知早期星系的数量。她说:“估计有成千上万个我们能够探测到的星系。”未来科学家可能还会继续申请观测,从而寻找那些最早的原初星系的证据,也许到时候会使用超大的第一代恒星爆炸产生的极亮和极高能的超新星作为其存在的标志。一些估算结果表明,韦布空间望远镜可以看到远至26的红移,即大爆炸后仅1.2亿年,这对宇宙来说不过弹指一挥间。要对越来越多的高红移候选体做后续研究还要做很多准备工作。奈杜说:“即使是确认其中的少数几个也将是相当惊人的,这将证明我们没有被欺骗。”

韦布空间望远镜开创了一个新的科学时代,尽管存在不确定性,快速交流新的发现使天文学家精神振奋。特雷乌说:“这真是太棒了,看到天文界如此的密切联系和激动,真的很梦幻。”现在的问题是,如果我们能真正相信我们所看到的,是否是时候重新评估我们对早期宇宙的理解?梅森说:“我们正在窥探未知的世界。”

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2023-02-13 11:24
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