2.8亿年太初星系被确认，韦伯揭示宇宙开端超乎想象

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自詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）启动科学观测以来，它几乎每一次发布新数据，都在刷新人类观测宇宙的历史纪录。

近期，由麻省理工学院（MIT）领导的国际天文学家团队，利用韦伯望远镜光谱仪的详细观测，证实了一个名为MoM-z14的遥远星系。

这项发现的意义远超距离本身：该星系的光线在宇宙大爆炸后仅仅2.8亿年时发出，它不仅是迄今为止确认红移值最高的星系（$z=14.44$），更重要的是，它极度明亮，与我们目前对早期宇宙的理论预测产生了剧烈冲突。

这项工作已提交至《天体物理学开放期刊》（Open Journal of Astrophysics），其预印本可以在arXiv服务器上查阅。

韦伯望远镜正以前所未有的速度揭示，宇宙的开端，比天文学家们此前预期的要复杂、要活跃得多。

红移值14.44：触碰宇宙时间起点

在谈论遥远星系时，我们不能简单地使用“距离”这个概念。由于宇宙在暗能量驱动下的持续膨胀，光线穿越空间的时间越长，它的波长就会被拉伸得越厉害，这一现象被称为“红移”。

红移值（$z$）是天文学家衡量宇宙远近的关键标尺。红移值越高，意味着光线旅行的时间越长，我们看到的就越接近宇宙的创世之初。

MoM-z14星系的红移值被精确锁定在$z=14.44$。这意味着，它的光线已经穿行了约135亿年才抵达韦伯望远镜的镜片。

考虑到宇宙目前的年龄约138亿年，我们现在看到的MoM-z14，仅仅诞生于宇宙历史的最初期。它比此前哈勃望远镜确认的记录保持者GN-z11（红移$z \approx 11$）更古老，也更加遥远。

韦伯望远镜配备的近红外光谱仪（NIRSpec）是确认这一红移值的关键。图像测量只能给出距离的估计值，但光谱学观测能够通过分析光线中的特征谱线，给出如身份证般精准的确认。

图释：宇宙场MoM-z14星系（NIRCam拉出图像）。图片来源：欧洲航天局

这表明，人类在追溯宇宙历史的道路上，又向前迈出了关键一步。

极度明亮：理论与观测出现鸿沟

MoM-z14最引人注目的特征，在于它的亮度。

在宇宙早期，物质密度高，恒星和星系应该刚刚开始形成。根据传统理论模型的推算，像MoM-z14这样古老的星系应该相对暗弱。

然而，研究团队发现，MoM-z14以及韦伯已经发现的一批早期星系，它们的亮度比理论模型预测的要高出100倍以上。这已经不是单个的异常现象，而是一种普遍规律。

正如研究人员所说：“围绕早期宇宙的理论和观测之间，正出现一条不断扩大的鸿沟。”

这种超乎寻常的亮度，对现有宇宙学模型提出了严峻挑战：为什么宇宙在如此短的时间内，就能形成如此多且如此活跃的恒星？

研究人员在MoM-z14的光谱中还发现了一个令人费解的信号：高浓度的氮元素。

通常来说，氮元素需要经过多代恒星的演化和爆发（超新星）才能大量生成，并在星系中富集起来。但在宇宙诞生仅仅2.8亿年后，显然没有足够的时间让几代恒星完成演化。

研究人员推测，在早期宇宙密度极高的环境下，可能产生了超大质量恒星。这些恒星的质量远超我们今天在本地宇宙中观测到的任何恒星，它们具备在极短时间内合成并喷射大量重元素，包括氮的能力。

这些古老星系的光谱，就像是宇宙中的“化石”，正在倒逼天文学家重新思考恒星形成和元素合成的早期历史。

星系开启了宇宙再电离时代

韦伯望远镜最重要的设计目标之一，就是揭示宇宙历史上被称为“再电离时代”（Epoch of Reionization）的关键时期。

图释：宇宙场MoM-z14星系（NIRCam罗盘图像）图片来源：NASA、ESA、CSA、STScI、R. Naidu（麻省理工学院），图像处理：J. DePasquale（STScI）

宇宙大爆炸后最初几亿年，宇宙充斥着寒冷、浓密的原始中性氢气，这如同厚厚的“宇宙迷雾”，阻碍了光线的穿行。

再电离时代，就是指最早的恒星和星系发出的高能光子，开始穿透并电离周围的中性氢气，使宇宙逐渐变得透明的过程。

MoM-z14的观测为“宇宙迷雾”的消散提供了又一重要线索。数据显示，MoM-z14星系周围的空间已经显现出“清场”的迹象，它正在驱散或电离周围的中性氢气。

通过定位和分析像MoM-z14这样的早期“光之源”，天文学家可以更精确地绘制出再电离时代的时间线，了解宇宙是如何从一片黑暗迷雾走向我们今天看到的透明、结构化的形态。

“一叶知秋”：中国与极早期宇宙的竞逐

韦伯望远镜的每一次发现，都深刻影响着我们对宇宙的认知，也反映出在基础科学研究中，顶尖观测设备对于突破理论瓶颈的决定性作用。

虽然中国天文学近年来发展迅速，例如在脉冲星、黑洞以及暗物质探测方面取得了重要进展，但在极早期宇宙观测领域，我们目前仍缺乏能够与韦伯望远镜直接抗衡的旗舰级空间红外天文台。

这使得我们在获取第一手、高精度的早期宇宙光谱数据方面，存在一定的短板。

然而，对“太初星系”的竞逐并非没有中国身影。一方面，中国科学家正积极参与对韦伯数据的解读和理论建模工作，特别是对“超亮”星系与现有模型的矛盾进行深入研究。这要求我们必须提升在早期宇宙物理、星系形成和演化等领域的理论深度。

另一方面，虽然缺乏韦伯级别的观测平台，我国正在大力发展下一代空间天文基础设施。例如，正在规划中的中国空间站巡天望远镜（CSST），尽管主攻方向不同，但它将具备独特的宽视场优势，可以进行大规模、高精度的巡天观测，与韦伯的“深钻”互为补充。

未来，中国天文学界对极早期宇宙的研究，将沿着两条路径推进：一是通过国际合作深度参与数据共享和分析，二是加快建设我们自己的新一代空间观测能力。

韦伯望远镜揭示的这些超乎想象的太初星系，正在敦促我们：只有通过更强大、更精确的观测，才能真正解决宇宙学理论中的巨大“鸿沟”。

参考文献

Rohan P. Naidu et al. A Cosmic Miracle: A Remarkably Luminous Galaxy at zspec =14.44 Confirmed with JWST. arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2505.11263.