詹姆斯·韦伯太空望远镜揭示了早期宇宙中令人惊讶的“红色怪物”

三个红色的星系从背景图像中放大。

詹姆斯·韦伯太空望远镜捕捉到的三个“红怪物”是大爆炸后第一个十亿年形成的极其巨大、尘土飞扬的星系。（图片来源：美国国家航空航天局/加拿大航天局/欧洲航天局，M.Xiao&P.A.Oesch（日内瓦大学），G.Brammer（尼尔斯玻尔研究所），Dawn JWST档案馆）

长期以来，天文学家认为星系的形成遵循一个非常具体的模型：宇宙气体聚集成团块，恒星从这些团块中诞生，在数十亿年的时间里，恒星邻域的大小逐渐增大。然而，2021年12月发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜扰乱了这一模式。

在一项新的研究中，科学家们发现了三个被称为“红怪物”的大质量星系，每个星系的大小几乎与银河系相当，在大爆炸后10亿年就已经存在了。虽然这听起来像是一个很长的时间，但在我们140亿年的宇宙中，只有10亿年是相对较早的。因此，这些星系提出了一个基本问题：它们是如何变得如此之大、如此之快的？

当天文学家最初使用詹姆斯·韦伯太空望远镜研究早期宇宙时，他们希望在早期宇宙中找到尚未完全发育的星系，但惊讶地发现，不仅有成熟的星系，还有巨大的星系。这场“宇宙学危机”表明，有必要重新评估我们对大爆炸以来宇宙演化的理解。然而，故事中有一个转折点。

8月，科学家们发现，由于有活跃的黑洞，这些星系可能看起来更大、更亮，从而得出结论，这些出乎意料的“大质量”星系实际上比以前认为的要小。然而，有趣的是，这项新研究没有发现这些星系中存在所谓的“活动星系核（AGN）”的证据，排除了它们的强烈辐射来自其中心超大质量黑洞的可能性。

因此，研究人员得出结论，这些星系的极端特征——高质量和快速恒星形成——是星系本身固有的，而不是由活动核驱动的。这怎么可能？

该研究由日内瓦大学（UNIGE）的一个国际团队领导，并利用了FRESCO对JWST的调查数据。它关注的是红移值在z=5和z=9之间的星系，当时宇宙只有10亿到15亿年的历史。Redshift测量了由于宇宙膨胀，来自遥远物体的光在到达我们的探测器的途中延伸了多少波长，数值越高，表示距离和年龄越大。该团队使用FRESCO的近红外相机（NIRCam）grism光谱仪来测量星系的距离和恒星质量。

“太空望远镜上的仪器使我们能够识别和研究星系随时间的增长，并更清楚地了解恒星质量在宇宙历史过程中是如何积累的，”UNIGE科学院副教授兼该观测项目首席研究员Pascal Oesch在一份声明中解释道。

该团队的分析集中在36个巨大的、尘土飞扬的恒星形成星系上，这些星系因其独特的红色和突出的发射线而被选中，表明它们是巨大的，并被尘埃严重遮挡。虽然大多数星系与星系形成的理论模型相匹配，但有三个星系被归类为“超大质量”，并且恒星形成率异常高。

这三个红色怪物在JWST的图像中呈现红色，因为它们含有大量的灰尘，这使得它们吸收较短波长的光，并将剩余的光散射成较长的红色波长。JWST之所以能如此清晰地观察到它们，是因为它捕获了红外光，使科学家能够看到尘埃之外的东西，这与哈勃太空望远镜不同，后者仅限于光学。这种看穿宇宙尘埃的能力是JWST彻底改变我们对宇宙的看法的原因之一。

回到那些红怪物，新的JWST数据显示，这些星系产生恒星的效率大约是后期宇宙中星系的两到三倍。

这三个星系的恒星质量如此之大，以至于它们需要大约50%的恒星质量转换效率，高于当今星系中观察到的典型效率。例如，大多数星系在后期只将约20%的可用气体转化为恒星。这些发现表明，早期宇宙可能有一套不同的条件，允许更快、更有效的星系生长。

“我们的研究正在改变我们对早期星系形成的理解，”该研究的主要作者、UNIGE科学院的博士后研究员肖梦元在声明中说。

这种加速增长的确切原因仍然是个谜——它可能是基于更丰富的气体、更快的气体冷却速率或其他尚不清楚的条件等因素。JWST和阿塔卡马大型毫米阵列（ALMA）的未来观测将为这些超大质量的“红怪物”提供更深入的见解，并提供这些来源的更大样本。

肖总结道：“随着我们对这些星系进行更深入的研究，它们将为塑造宇宙最早时代的条件提供新的见解。‘红怪物’只是我们探索早期宇宙新时代的开始。”

该研究于11月13日发表在《自然》杂志上。

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