臺北市立天文科學教育館

當天文學家首次透過韋伯太空望遠鏡觀測早期宇宙中的星系時，本以為會發現小型的星系，卻出乎意料地看到了壯碩的星系。天文學家發現這些星系的亮度比預期的更高。如果這些光全都來自恆星，那麼這些星系將需要在極短的時間內形成大量恆星，這是現有的宇宙形成與演化理論所無法解釋的。一些研究者因此推測，這可能意味著用來解釋宇宙組成及其自大霹靂以來演化的標準宇宙學模型可能出了問題。

然而，最新的研究顯示，其中一些早期星系的實際質量比最初估計的小得多。根據Chworowsky et al. 2024的新研究，這些光源大多來自環繞星系中心的超大質量黑洞吸積盤，而非恆星，這些黑洞使星系看起來比實際上更亮、更大。我們仍然觀察到比預期更多的星系，儘管它們都沒有大到足以撼動宇宙。這一證據來自韋伯太空望遠鏡的「宇宙演化早期調查（CEERS）」資料。研究還發現，這些被稱為「小紅點」的小型、高亮度星系中存在快速運動的氫氣體，這是黑洞吸積盤的特徵，進一步支持了這些光源主要來自於圍繞黑洞旋轉的氣體，而不是恆星。這些額外的光線使得星系看起來像是擁有更多的恆星，因此質量也被高估了。然而，當科學家將這些「小紅點」星系從分析中移除後，剩餘的早期星系質量與標準宇宙學模型的預測一致。（延伸閱讀：韋伯太空望遠鏡觀測到宇宙小紅點：宇宙中的超大質量黑洞幼年版本）

圖說：這張影像展示了詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的觀測結果，取自「宇宙演化早期調查（CEERS）」資料的一小部分區域。影像中密布著星系，其中一些星系可追溯至約130億年前的宇宙。Credits: NASA, ESA, CSA, Steve Finkelstein (UT Austin).

但仍有一些問題，在韋伯太空望遠鏡的早期宇宙數據中，質量較大的星系數量仍然比標準模型預期的多出約兩倍。可能的原因之一是早期宇宙中的恆星形成速度比現今快得多。或許在早期宇宙中，星系更擅長將氣體轉化為恆星。恆星的形成過程是當熱氣體冷卻至足以屈服於重力，凝結成一顆或多顆恆星時發生的。然而，隨著氣體收縮，它會加熱，產生向外的壓力與重力平衡，這些對立的力量平衡使得恆星形成過程非常緩慢。然而，根據某些理論，由於早期宇宙的密度很高，在恆星形成過程中，氣體更難被向外推開，這使重力收縮主導恆星形成的速度加快。

因此，最終結論是，標準宇宙學模型並沒有受到嚴重的挑戰。任何經過長時間考驗的理論，如果要推翻它，必須有壓倒性的證據，而這種情況目前尚不存在。不過在科學上，當解答一個問題時，往往會引出新的問題。儘管標準宇宙學模型目前看來問題不大，但研究也指出在恆星形成方面需要有新的思考。（編譯 / 段皓元）

資歷來源：WEBB