研究人员调查了早期宇宙中的三个神秘物体。这里展示的是他们的彩色图像，由詹姆斯韦伯太空望远镜上的三个NIRCam滤光带合成。它们在红色波长下非常紧凑(因此被称为“小红点”)，在蓝色波长下有一些空间结构的证据。资料来源:王炳杰/宾夕法尼亚州立大学
美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜揭示了早期宇宙中的神秘物体，这些物体挑战了目前的星系和超大质量黑洞演化理论。
这些对象包括古老的恒星和大质量的黑洞，比预期的要大得多，这表明宇宙正在迅速膨胀早期星系形成的常规形式。这些发现突出了与现有模型的重大差异，这些物体的独特性质表明了复杂的早期宇宙历史。
早期宇宙的突破性发现
美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)最近的一项发现证实，先前在早期宇宙中探测到的发光的、非常红色的物体挑战了关于星系及其超大质量黑洞的起源和演化的既定观点。
在宾夕法尼亚州立大学的研究人员的带领下，国际团队利用JWST上的NIRSpec仪器作为红宝石调查的一部分，确定了三个神秘的物体，它们可以追溯到大爆炸后的6 -8亿年，当时宇宙只有现在年龄的5%。他们在6月27日的《天体物理学杂志通讯》上宣布了这一发现。
科学家们分析了光谱测量值，即从物体发出的不同波长的光的强度。他们的分析发现了“老”恒星的特征，有数亿年的历史，比年轻宇宙中预期的要老得多。
詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)为了解宇宙遥远的过去提供了一扇窗户，捕捉到了135亿年前形成的宇宙第一批星系和恒星的图像。来源:NASA-GSFC, Adriana M. Gutierrez (CI实验室)
银河系演化的意外发现
研究人员说，他们还惊讶地发现，在相同的物体中发现了巨大的超大质量黑洞的特征，估计它们的质量是我们银河系中超大质量黑洞的100到1000倍。在目前的星系增长和超大质量黑洞形成模型中，这两种情况都是不可能的。这些模型预计，在数十亿年的宇宙历史中，星系和它们的黑洞会一起增长。
“我们已经证实，在一个只有6 -8亿年历史的宇宙中，这些星系似乎充满了数亿年历史的古老恒星。值得注意的是，这些物体保持着古老星光最早特征的记录，”宾夕法尼亚州立大学博士后学者、该论文的第一作者王炳杰说。“在一个非常年轻的宇宙中发现古老的恒星是完全出乎意料的。宇宙学和星系形成的标准模型已经取得了令人难以置信的成功，然而，这些发光的物体并不完全符合这些理论。”
研究人员在2022年7月首次发现了这些巨大的物体，当时JWST发布了最初的数据集。几个月后，该团队在《自然》杂志上发表了一篇论文，宣布了这些物体的存在。
宇宙观测面临的挑战
当时，研究人员怀疑这些物体是星系，但为了更好地了解这些物体的真实距离，以及它们发出巨大光的来源，他们利用光谱进行了进一步的分析。
然后，研究人员利用这些新数据绘制了一幅更清晰的图像，描绘了星系的样子以及它们内部的情况。研究小组不仅证实了这些物体确实是时间开始时的星系，而且他们还发现了超大质量黑洞和惊人古老的恒星群的证据。
“这非常令人困惑，”宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学助理教授、两篇论文的合著者乔尔·莱贾(Joel Leja)说。“你可以让它不适当地符合我们目前的宇宙模型，但前提是我们在时间之初唤起一些奇异的、疯狂的快速形成。毫无疑问，这是我职业生涯中见过的最奇特、最有趣的一组物品。”
JWST的设计目的是观察大爆炸后发生的现象，利用其先进的红外能力穿透宇宙尘埃，发现太空中隐藏的结构。来源:诺斯罗普·格鲁曼公司
远古星系结构的奥秘
JWST配备了红外传感仪器，能够探测到最古老的恒星和星系发出的光。Leja说，从本质上讲，望远镜可以让科学家看到大约135亿年前的时间，也就是我们所知道的宇宙开始的时候。
分析古代光的一个挑战是，很难区分可能发出光的物体的类型。在这些早期天体的情况下，它们具有超大质量黑洞和古老恒星的明显特征。然而，王解释说，目前还不清楚观测到的光有多少来自每个星系——这意味着这些可能是早期的星系，出乎意料地古老，甚至比我们自己的银河系更大，形成的时间远远早于模型预测，或者它们可能是具有“超大质量”黑洞的正常质量星系，大约是今天这样的星系质量的100到1000倍。
王说:“区分落入黑洞的物质发出的光和这些微小、遥远物体中的恒星发出的光是一项挑战。”“无法分辨当前数据集的差异，为解释这些有趣的物体留下了充足的空间。老实说，有这么多谜团有待解开，真是令人兴奋。”
除了它们无法解释的质量和年龄之外，如果部分光线确实来自超大质量黑洞，那么它们也不是正常的超大质量黑洞。它们产生的紫外线光子比预期的要多得多，而且用其他仪器研究的类似物体缺乏超大质量黑洞的特征，比如热尘埃和明亮的x射线辐射。但研究人员说，也许最令人惊讶的是它们的质量。
Leja说:“通常超大质量黑洞是与星系配对的。”“他们一起长大，一起经历人生的所有重大经历。但在这里，我们有一个完全形成的成年黑洞生活在一个应该是婴儿星系的内部。这真的说不通，因为这些东西应该一起发展，至少我们是这么认为的。”
研究人员还对这些系统的小得令人难以置信的尺寸感到困惑，它们只有几百光年宽，大约比我们的银河系小1000倍。这些恒星的数量大约和我们的银河系一样多——大约有100亿到1万亿颗恒星——但它们的体积比银河系小1000倍。
Leja解释说，如果你把银河系压缩到他们发现的星系的大小，那么最近的恒星几乎就在我们的太阳系中。银河系中心的超大质量黑洞距离地球约2.6万光年，距离地球只有26光年，在天空中可以看到一个巨大的光柱。
Leja说:“这些早期星系的恒星密度很高——这些恒星一定是以一种我们从未见过的方式形成的，在我们从未预料到的条件下，在我们从未预料到的时期内形成的。”“不管出于什么原因，宇宙在仅仅几十亿年后就停止了制造这样的物体。它们是早期宇宙独有的。”
研究人员希望进行更多的观察，他们说这可能有助于解释这些物体的一些奥秘。他们计划通过将望远镜长时间对准这些物体来获得更深的光谱，这将有助于通过识别每个物体中可能存在的特定吸收特征来解开恒星和潜在超大质量黑洞的发射。
“我们还有另一种方法可以取得突破，这就是正确的想法，”Leja说。“我们拥有所有这些拼图，只有当我们忽略其中一些正在破碎的事实时，它们才会合适。到目前为止，我们、我们所有的合作者和整个科学界都未能解决这个问题。”
参考:“珍珠(或作红宝石)宝贵。由王bingjie，冰洁王，Joel Leja, Anna de Graaff, Gabriel B. Brammer, Andrea Weibel, Pieter van Dokkum, Josephine F. W. Baggen, Katherine A. Suess, Jenny E. Greene, Rachel Bezanson, Nikko J. Cleri, Michaela Hirschmann, Ivo labb
， Jorryt Matthee, Ian McConachie, Rohan P. Naidu, Erica Nelson, Pascal A. Oesch, David J. Setton和Christina C. Williams, 2024年6月26日，天体物理学杂志通讯。2041 - 8213 . DOI: 10.3847 / / ad55f7
王和Leja获得了美国宇航局一般观察员计划的资助。这项研究也得到了伯尔尼国际空间科学研究所的支持。这项工作部分基于NASA/ESA/CSA詹姆斯·韦伯太空望远镜的观测结果。这项研究的计算是在宾夕法尼亚州立大学计算与数据科学研究所的Roar超级计算机上进行的。
该论文的其他共同作者是德国马克斯-普朗克天文研究所的安娜·德·格拉夫;宇宙黎明中心和尼尔斯玻尔研究所的加布里埃尔·布拉默;日内瓦大学的Andrea Weibel和Pascal Oesch;耶鲁大学的Nikko Cleri、Michaela Hirschmann、Pieter van Dokkum和Rohan Naidu;斯坦福大学伊沃实验室;普林斯顿大学的Jorryt Matthee和Jenny Greene;匹兹堡大学的Ian McConachie和Rachel Bezanson;德克萨斯农工大学的约瑟芬·巴根;瑞士索韦尼天文台的凯瑟琳·苏斯;麻省理工学院Kavli天体物理与空间研究所的David Setton;科罗拉多大学的Erica Nelson;美国国家科学基金会国家光学红外天文学研究实验室和亚利桑那大学的Christina Williams说。
