韦布望远镜揭示早期宇宙谜团
克里斯蒂娜·阿米蒂奇/《量子杂志》
引言
夏洛特·梅森思考宇宙奥秘时总爱随手涂鸦。“我是个视觉型学习者，”她说，“通常得画一大堆图，才能搞明白到底发生了什么。”
梅森是哥本哈根宇宙黎明中心的天体物理学家，近来她的画纸上满是“小红点”的草图。这些神秘天体是詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）在观测图像中发现的，数量多达数百个。2022年韦伯望远镜投入使用前，人类从未观测到它们的存在。如今我们知道，宇宙大爆炸后约6.5亿年，这类天体已大量出现。
小红点只是韦伯望远镜早期宇宙观测带来的诸多惊人谜团之一。其他谜团还包括：年龄与质量严重不符的超大质量黑洞，以及颠覆人类对大爆炸后10亿年认知的古老星系。起初，科学家震惊不已——韦伯揭示的宇宙图景，完全不符合现有天体物理学理论。如今，一系列新理论给出了颇具吸引力的解释，但哪一种能反映真实宇宙，仍是未解之谜。
近期研究指出，小红点可能是被浓密气体包裹的黑洞，或许代表一种全新天体：黑洞星。这类天体周围的致密气体层会像恒星大气层一样发光。
“这就是我设想中的黑洞，”梅森边说边画了个涂黑的小圆圈，“我可能会给它加个吸积盘，因为我们认为部分辐射就来自这里。”她在圆圈中心画了一条线，“最直观的模型就是黑洞周围裹着一层致密气云。”接着她又画了个更大的圆圈，把小黑圈包裹起来。
但梅森认为，这些宇宙谜团背后或许另有玄机。她与同事近期分析了一个小红点的光谱。如果致密气云模型成立，部分光线穿过气体时应发生改变——但观测结果并非如此。
韦伯望远镜在早期宇宙中发现的部分神秘小红点样本。
图片来源：乔里特·马泰。数据来自EIGER/FRESCO巡天项目
“那我该怎么办？从头再来。不过如果把气云画成团块状，”梅森画了一幅新图，黑洞周围的气云带有孔洞，“得到的信号应该就更接近观测结果了。”
全球各地，像梅森这样的研究者正热切地拼凑韦伯望远镜瞥见的远古宇宙碎片，试图还原宇宙起源的清晰图景。就像穿越数十亿光年抵达地球的光子一样，新的线索正不断浮现。
宇宙中的无底深渊
韦伯望远镜让黑洞的研究变得更为复杂——它持续发现一些古老黑洞，其质量大到现有理论完全无法解释。
大爆炸后不久，宇宙大体上平滑无特征。然而仅仅数亿年后，“我们就观测到了质量相当于10亿个太阳的黑洞，”普林斯顿大学天体物理学家珍妮·格林说，“要在这么短时间内长到这么大，得费不少周折。”
科学家认为，影响黑洞大小的关键因素有两个：黑洞“种子”形成时的初始质量，以及种子后续的生长速度。但无论是初始质量足够大，还是生长速度足够快，都难以解释早期宇宙中为何会出现质量达太阳10亿倍的黑洞。
在现代宇宙中，大质量恒星核心燃料耗尽后坍缩，便会形成黑洞。格林指出，第一代恒星质量极大，留下的黑洞种子质量可达太阳的100倍左右。
“我们知道这种机制确实存在，但要让它们在短时间内长到10亿倍太阳质量，难度极大，”她说，“简直像是强行喂食。”
科学家一直认为，黑洞的生长速度存在严格上限。物质向黑洞坠落时，会像水流进下水道一样高速旋转并升温，形成的“吸积盘”会向外辐射能量，产生的压力会阻碍更多物质进入，从而限制黑洞的吞噬速度。这个被称为“爱丁顿极限”的进食上限，本应让黑洞无法在有限时间内增长数千万倍。
但近期计算机模拟显示，黑洞或许存在“后门”。如果吸积盘以特定方式膨胀，涌入的气体就能克服辐射压力。这种“超爱丁顿吸积”会让气体以极高速率流入黑洞。
即便如此，天文学家仍不确定早期宇宙是否有足够气体，供黑洞长到最大观测质量。部分研究者认为，古老的致密星团可能产生了大量黑洞种子，这些种子迅速合并，形成超大质量黑洞。
马克·贝兰/《量子杂志》
还有一种可能：超大质量黑洞并非由恒星演化而来。在这种情况下，巨大的气体云会直接坍缩成黑洞。这种“直接坍缩”机制能形成质量约为太阳1万倍的黑洞种子。
“直接坍缩模型的问题在于，它对条件的要求极为苛刻，”格林说。要实现直接坍缩，巨型气体云必须一次性压缩成黑洞，不能先分裂成小块形成恒星。这需要特定的气体化学成分，且气体云的自转速度必须很慢。
“人们在计算机模拟中确实能造出这类直接坍缩黑洞，但数量远远不足以解释我们观测到的所有黑洞，”格林补充道。
现有证据能为上述每种理论提供一定支持。2024年，韦伯望远镜观测到一个大爆炸后约15亿年的黑洞，其吞噬物质的速度达到爱丁顿极限的40倍。如果更早时期的黑洞也以这种方式快速生长，那么那些最大的黑洞或许最初只是相对较小的种子。
不过近期，研究者仔细观测了一个大爆炸后约7.5亿年的小红点——它被前景星系团引力透镜放大。研究结论显示，这是一个“裸”超大质量黑洞，质量约为太阳的5000万倍，周围没有可见的恒星。如果这一质量估算准确，意味着这个黑洞可能在星系形成前就已存在，或许是通过直接坍缩形成的大质量种子。
“显然，黑洞的生长方式存在我们尚未完全理解的差异，”格林说，“所以目前最令人兴奋的研究方向，就是从物理层面搞清楚这些差异究竟是什么。”
星系的诞生
正如早期黑洞质量过大一样，韦伯望远镜发现的许多早期星系也亮得反常。为弄清原因，研究者正重新审视星系形成的理论。
大爆炸后约2亿年，早期宇宙比现在更小、更致密、更炽热。随着宇宙膨胀冷却，暗物质逐渐聚集成巨大的团块，即暗物质晕。这些不可见的暗物质晕通过引力，将氢和氦气体拉进巨大的丝状结构，并汇聚到暗物质晕的核心。当气体积累到足够量时，极端压力引发核聚变，点燃了第一代恒星；这些恒星逐渐聚集，形成了最初的星系。
天文学家通常用“红移”描述这些事件的时间——红移指早期天体发出的光线因宇宙膨胀而被拉伸的程度。
“红移达到15左右（即大爆炸后2.7亿年）之前，宇宙中几乎没什么大事发生；之后大量气体开始沿着丝状结构涌入暗物质晕，”纽约弗拉特里恩研究所的资深研究科学家蕾切尔·萨默维尔说，她主要研究星系形成。2026年4月，她在丹麦赫尔辛格的一场会议上展示了最新的计算机模拟结果。会议室内，100多名来自全球的研究者齐聚一堂，探讨宇宙早期的谜题；投影屏幕上，暗物质、气体和星光的可视化图像不断变幻。
“红移约为11时（大爆炸后4.2亿年），恒星形成速率开始显著提升，”她继续说道，“红移为9时（大爆炸后5.5亿年），我们就能看到成熟的星系了。”
屏幕上的星系代表了早期星系群体，但韦伯望远镜迄今发现的最古老星系，诞生于大爆炸后仅2.8亿年。这些明亮的早期星系最初让部分科学家怀疑，我们对基础宇宙学的理解——即支配早期宇宙能量与物质行为的定律——可能存在缺陷。但经过数年研究，理论家如今已提出多种模型，解释这些星系的亮度与数量。
“我们几乎从‘早期星系太多’的困惑，变成了‘解释早期星系的理论太多’的困扰，”萨默维尔在会上说。
或许第一代星系将气体转化为恒星的效率远超此前预期；或许湍流环境导致恒星形成呈现周期性爆发；又或许早期恒星形成区域更倾向于诞生大质量、高亮度的恒星。许多天体物理学家认为，这些因素，甚至其他未知因素的共同作用，推动了早期星系的演化。
为验证这些新理论，研究者正通过模拟探索早期宇宙。“韦伯望远镜发射以来，尤其是近一两年，数值模拟取得了显著进展，”萨默维尔告诉与会者，这些新模拟“或许更适合解释高红移宇宙的观测结果，也更具参考价值。”
随着模型不断完善，韦伯望远镜也在持续发现更多星系。通过将早期宇宙的观测结果与模拟模型对比，研究者正逐步揭开宇宙黎明的真实面貌。
“我们可以尝试找到与观测星系最匹配的模拟星系，”索邦大学巴黎天体物理研究所的天体物理学家哈基姆·阿泰克说，“一旦找到最佳匹配，就能研究它的恒星形成历史——因为在模拟中，我们能获取星系的完整演化历程。”
近期，韦伯望远镜的中红外仪器（MIRI）带来了一条有趣线索。这台经过超低温冷却的设备能分解遥远天体的光线，它的观测显示，早期星系并不像科学家假设的那样具有统一特征。
“最令人惊讶的是，我们在早期宇宙中观测到的星系，性质差异极大，”阿泰克说，“原本以为它们应该都差不多。”
这种多样性或许表明，恒星形成是爆发式的：星系会经历恒星形成、超新星爆发并排出气体云、恒星形成停滞，随后气体再次聚集并触发新一轮恒星诞生的循环。
“有些星系似乎已经清空了所有星际介质——包括气体和尘埃，就像只能看到裸露的恒星，”阿泰克说，“另一些星系则完全相反，拥有大量气体。”
另一线索来自一组氮元素过量的星系。氮元素的存在表明，早期宇宙中可能存在大量大质量恒星。模拟显示，这些大质量恒星会在超新星爆发前产生过量氮元素，并通过爆炸将其散播到宿主星系中。
或许有一天，研究者能完全弄清星系形成的完整过程。在此之前，他们会继续从新观测数据和模拟结果中寻找线索。
存在的谜题
当第一批恒星点亮宇宙，一切都改变了。早期星系和黑洞发出的辐射电离了中性氢海洋，在宇宙迷雾中开辟出巨大的气泡。研究者将这一时期称为“再电离时代”——这是宇宙第二次被电离，标志着没有恒星的“宇宙黑暗时代”的终结。
第一代恒星的质量据信是太阳的数百甚至数千倍，它们飞速消耗氢和氦燃料，最终爆发为剧烈的超新星，将碳、氮、氧、磷、铁等新元素散播到宇宙中——这些元素正是行星和生命的构成物质。
从很多方面来说，第一代恒星是宇宙的“母亲”。“我们回望的，正是创造了我们的源头，”宇宙黎明中心的天体物理学家莉斯·克里斯滕森说。
颇具意味的是，这场探讨宇宙起源的会议选在了赫尔辛格——这里距离启发莎士比亚创作《哈姆雷特》中艾尔西诺城堡的原型不远。剧中，这位丹麦王子哀叹道：
看那天上的云彩， 这一顶壮丽的帐幕， 这一片点缀着金黄色火球的天空， 可是在我看来， 它不过是一大堆污浊的瘴气的集合。
人类是一件多么了不得的杰作！ 多么高贵的理性！ 多么伟大的力量！ …… 可是，在我看来， 这一个泥土塑成的生命算得了什么？
这段关于存在的悲戚沉思中，宇宙是“一大堆污浊的瘴气的集合”，人类是“泥土塑成的生命”。但如今我们知道，哈姆雷特的描述在科学上的准确性，远超莎士比亚的想象：我们确实由恒星内部锻造、并随超新星爆发散播到宇宙中的元素构成。
不过，与在艾尔西诺城堡中沉沦的哈姆雷特不同，研究宇宙起源的科学家们，正为这些宇宙开端的奥秘而兴奋不已。
编者按：弗拉特里恩研究所由西蒙斯基金会资助，该基金会同时资助本 独立编辑杂志 。西蒙斯基金会的资助决策不会影响本刊报道内容。
物理学前沿
