恒星形成的爆发解释了宇宙黎明时的神秘亮度

当科学家们看到詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）拍摄的宇宙最早星系的第一张图像时，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。就像一个婴儿在短短几年内就成长为成年人一样。

早期星爆星系的艺术构思。该图像是根据本研究使用的 FIRE 模拟数据绘制的，可以解释 JWST 最近的结果。恒星和星系以明亮的白色光点显示，而更分散的暗物质和气体以紫色和红色显示。 Aaron M. Geller，西北大学，CIERA + IT-RCDS

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，想知道是否应该颠覆它。

西北大学、熨斗研究所计算天体物理中心 (CCA) 的天体物理学家及其同事通过新的模拟发现，这些星系可能根本没有那么大。尽管星系的亮度通常由其质量决定，但新发现表明，质量较小的星系也可以因恒星形成的不规则明亮爆发而发出同样明亮的光。

研究合著者、CCA 研究科学家克里斯·海沃德 (Chris Hayward) 表示，这一发现不仅解释了为什么年轻星系显得如此巨大，而且也符合宇宙学的标准模型。

“我们是第一个证明足够强的恒星形成爆发是由于超新星等恒星反馈过程而自然产生的，”他说。 “这使得模型和观测结果一致，消除了两者之间的紧张关系，至少在星系的亮度方面是如此。”

研究人员于 10 月 3 日在《天体物理学杂志快报》上报告了他们的结果。

研究资深作者、西北大学温伯格艺术与科学学院物理和天文学副教授克劳德-安德烈·福赫-吉盖尔 (Claude-André Faucher-Giguère) 表示：“这些星系的发现令人大吃一惊，因为它们比预期的要亮得多。”天体物理学跨学科探索与研究中心（CIERA）成员。 “通常来说，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时形成的，自大爆炸以来还没有过去足够的时间。这些巨大的星系为何能够如此迅速地聚集？我们的模拟表明，星系在宇宙黎明之前形成这种亮度是没有问题的。”

“关键是在短时间内在系统中再现足够量的光，”该研究的主要作者、西北大学 CIERA 博士后研究员孙国超说。 “这种情况可能会发生，因为该系统非常庞大，或者因为它有能力快速产生大量光。在后一种情况下，系统不需要那么庞大。如果恒星形成是爆发式的，它就会发出闪光。这就是为什么我们看到几个非常明亮的星系。”

Hayward、Faucher-Giguère 和 Sun 与 CCA 研究员 Rachel Cochrane、加州理工学院的雪建沉和加州大学戴维斯分校的 Andrew Wetzel 合作。

宇宙黎明是宇宙大爆炸后大约一亿年到十亿年的一段时期，其标志是宇宙第一批恒星和星系的形成。在 JWST 发射进入太空之前，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了解都是基于极少数来源的数据的推测。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，研究人员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。这些模拟是相对论环境反馈（FIRE）项目的一部分，该项目是 Faucher-Giguère 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的。

FIRE 模拟结合了天体物理学理论和先进算法来模拟星系的形成。这些模型使研究人员能够探索星系如何形成、生长和改变形状，同时考虑从恒星返回的能量、质量、动量和化学元素。

当研究人员对宇宙黎明时形成的早期星系进行模拟时，他们发现恒星是爆发式形成的——这一概念被称为“爆发式恒星形成”。在像银河系这样的大质量星系中，恒星以稳定的速度形成，恒星的数量随着时间的推移逐渐增加。但是，当恒星以交替模式形成时，就会发生所谓的爆发式恒星形成：许多恒星同时形成，随后数百万年出现极少数新恒星，然后又出现许多恒星。

“爆发式恒星形成在低质量星系中尤其常见，”福彻-吉盖尔说。 “为什么会发生这种情况的细节仍然是正在进行的研究的主题。但我们认为会发生的是恒星爆发；然后，几百万年后，这些恒星爆炸成超新星。气体被踢出，然后落回形成新的恒星，推动恒星形成的循环。但当星系变得足够大时，它们的引力就会更强。当超新星爆炸时，它们的强度不足以从系统中喷射出气体。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 揭示的同样丰富的明亮星系。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假设爆发性恒星形成可能是宇宙黎明时星系异常亮度的原因，但研究人员是第一个使用详细的计算机模拟来证明这种可能性的人。他们能够做到这一点，而无需添加与我们的宇宙标准模型不一致的新因素。

“星系中的大部分光来自质量最大的恒星，”福彻-吉盖尔说。 “由于质量较大的恒星燃烧速度较高，因此它们的寿命较短。它们在核反应中迅速耗尽燃料。因此，星系的亮度与其在过去几百万年中形成的恒星数量更直接相关，而不是与整个星系的质量相关。”

海沃德说，理论与观察之间的分歧——无论是已解决还是未解决——乍一看似乎是一件坏事，但它们却创造了“该领域令人难以置信的激动人心的时刻”。 “JWST 的表现确实符合预期，我们得到了对现有知识的一些确认，但也得到了一些令人惊讶的新结果。这就是你学习科学的方式。这就是你改进你的理论的方法。”

这项研究得到了美国宇航局和美国国家科学基金会的支持，“爆发的恒星形成自然地解释了宇宙黎明时存在大量明亮的星系”。