科学圈 2024-04-26 06:10

当科学家们看到詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)拍摄的第一张宇宙最早星系的照片时，他们感到震惊。这些年轻的星系看起来太亮、太大、太成熟，不可能在大爆炸后这么快就形成。这就像一个婴儿在短短几年内成长为一个成年人。

这一惊人的发现甚至引起了一些物理学家对宇宙学标准模型的质疑，想知道它是否应该被颠覆。

通过新的模拟，西北大学领导的天体物理学家团队现在发现，这些星系可能根本没有那么大。虽然一个星系的亮度通常是由它的质量决定的，但新的发现表明，质量较小的星系也可以从不规则的、明亮的恒星形成爆发中发出同样明亮的光芒。

这一发现不仅解释了为什么年轻星系看起来质量巨大，而且也符合宇宙学的标准模型。

这项研究发表在《天体物理学杂志通讯》上。

“这些星系的发现是一个巨大的惊喜，因为它们比预期的要亮得多，”西北大学的克劳德-安德烈·弗彻-吉乌尔特雷说，他是这项研究的资深作者。“通常，一个星系之所以明亮，是因为它很大。但由于这些星系是在宇宙黎明形成的，所以大爆炸后的时间还不够长。这些巨大的星系是如何如此迅速地聚集在一起的?我们的模拟表明，星系在宇宙黎明前形成这种亮度是没有问题的。”

该研究的负责人孙国超补充说:“关键是在短时间内在一个系统中产生足够的光。”“这种情况可能发生，要么是因为这个系统真的很大，要么是因为它有能力快速产生大量的光。在后一种情况下，系统不需要那么庞大。如果恒星的形成是在爆发中发生的，它就会发出闪光。这就是为什么我们看到了几个非常明亮的星系。”

faucher - gigu 是西北大学温伯格艺术与科学学院的物理学和天文学副教授，也是天体物理学跨学科探索与研究中心(CIERA)的成员。孙是西北大学CIERA博士后研究员。

宇宙黎明是宇宙大爆炸后大约1亿年到10亿年的一段时期，以宇宙第一批恒星和星系的形成为标志。在JWST发射到太空之前，天文学家对这个古老的时期知之甚少。

“JWST给我们带来了很多关于宇宙黎明的知识，”孙说。“在JWST之前，我们对早期宇宙的大部分知识都是基于很少来源的数据的猜测。随着观测能力的大幅提高，我们可以看到星系的物理细节，并利用这些可靠的观测证据来研究物理学，以了解正在发生的事情。”

在这项新研究中，Sun、faucher - gigu 和他们的团队使用先进的计算机模拟来模拟大爆炸后星系是如何形成的。模拟产生的宇宙黎明星系与JWST观测到的星系一样明亮。模拟是相对论环境反馈(FIRE)项目的一部分，该项目由faucher - gigu 与加州理工学院、普林斯顿大学和加州大学圣地亚哥分校的合作者共同创立。这项新研究包括来自熨斗研究所计算天体物理中心、麻省理工学院和加州大学戴维斯分校的合作者。

FIRE模拟结合了天体物理学理论和先进的算法来模拟星系的形成。这些模型使研究人员能够探测星系是如何形成、成长和改变形状的，同时考虑到能量、质量、动量和从恒星返回的化学元素。

当Sun、faucher - gigu 和他们的团队模拟宇宙黎明形成的早期星系时，他们发现恒星是在爆发中形成的——这个概念被称为“爆发恒星形成”。在像银河系这样的大质量星系中，恒星以稳定的速度形成，随着时间的推移，恒星的数量逐渐增加。但是所谓的恒星爆炸形成发生在恒星以交替的模式形成时——同时形成许多恒星，随后是数百万年的非常少的新恒星，然后又出现许多恒星。

faucher - gigu 说:“恒星爆炸形成在低质量星系中尤其常见。”“为什么会发生这种情况的细节仍在研究中。但我们认为发生的是恒星爆发形成，然后几百万年后，这些恒星以超新星的形式爆炸。气体被踢出，然后回落形成新的恒星，推动恒星形成的循环。但当星系变得足够大时，它们的引力就会强得多。当超新星爆炸时，它们的强度不足以从系统中喷出气体。引力将星系聚集在一起，并使其进入稳定状态。”

模拟还能够产生与JWST显示的相同数量的明亮星系。换句话说，模拟预测的明亮星系的数量与观测到的明亮星系的数量相匹配。

尽管其他天体物理学家已经假设，恒星爆炸形成可能是宇宙黎明时星系异常明亮的原因，但西北大学的研究人员是第一个使用详细的计算机模拟来证明这是可能的。他们能够做到这一点，而不需要添加与我们的宇宙标准模型不一致的新因素。

faucher - gigu<e:1>说:“星系中的大部分光来自质量最大的恒星。”“因为质量越大的恒星燃烧速度越快，它们的寿命也就越短。它们在核反应中迅速耗尽燃料。因此，一个星系的亮度与它在过去几百万年中形成的恒星数量直接相关，而不是与整个星系的质量直接相关。”

这项名为“爆炸恒星形成自然地解释了宇宙黎明时明亮星系的丰富”的研究得到了美国宇航局和美国国家科学基金会的支持。