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王 鑫
現(xiàn)代天文學中的“宇宙圖譜”研究旨在為整個浩瀚宇宙繪制一幅三維動態(tài)圖譜，標記億萬星系的位置、速度和演化歷程，這是揭秘星系形成、宇宙演化的重要工具。閃亮的“宇宙大片”正在科學家們的努力下不斷突破。不久前，由多個國家科研機構(gòu)聯(lián)合組成的項目組正式發(fā)布了迄今最大的深空測繪宇宙圖譜COSMOS—Web。該圖譜基于詹姆斯·韋布空間望遠鏡(JWST)的觀測數(shù)據(jù)，構(gòu)建了包含近80萬個星系的詳細信息，時間跨度達到135億年，覆蓋宇宙約138億年演化史中98%的時間。這些數(shù)據(jù)刷新了人們對星系形成和演化的認知，為探索早期宇宙提供了新路徑。
這是一張以前所未有的尺度繪制的超深廣角宇宙圖像。它的觀測天區(qū)位于雙魚座方向，觀測面積達0.54平方度，相當于從地球上看月球面積的3倍。研究團隊負責人之一、美國加州大學圣塔芭芭拉分校教授凱特琳·凱西打了一個比方，如果把具有相同觀測深度的“哈勃超深空場”圖像打印在一張A4紙上，那么按照同樣比例，COSMOS—Web的圖像則相當于一幅邊長約4米的巨型壁畫。項目總觀測時間為255小時，是JWST首年觀測任務中耗時最長的單一項目，僅此次發(fā)布的影像數(shù)據(jù)量就超過1.5TB(太字節(jié))，為天文學家提供了前所未有的宇宙演化“動態(tài)影像”，而非零散的“快照”。
COSMOS—Web的成功制作離不開JWST革命性的紅外觀測能力，這是其與“前輩”哈勃望遠鏡最根本的區(qū)別。宇宙膨脹導致來自遙遠天體的光波長被拉長(紅移效應)，早期宇宙天體發(fā)出的紫外和可見光經(jīng)過漫長的旅程到達地球時，已被紅移至紅外波段。哈勃望遠鏡主要觀測紫外、可見光到波長1.6微米以下的近紅外波段，而JWST可覆蓋波長0.6—28微米的近紅外到中紅外波段，使其能夠追溯更高紅移亦即宇宙更為初始的演化階段。同時，JWST比哈勃望遠鏡的主鏡大了約6倍，因此其集光能力和靈敏度大幅提升，這使得JWST的“眼睛”有能力看到更遙遠、暗弱的天體。這兩方面的優(yōu)勢使JWST成為觀測宇宙“黎明時期”的理想工具，是宇宙圖譜成功繪制的關鍵所在。
COSMOS—Web最令人震撼的發(fā)現(xiàn)是宇宙早期存在數(shù)量驚人的星系，這顛覆了以往的理論預期。它的觀測數(shù)據(jù)顯示，在宇宙誕生后的最初5億年內(nèi)，星系實測數(shù)量是基于哈勃數(shù)據(jù)預測值的約10倍。這一發(fā)現(xiàn)讓天文學家深感困惑，因為按照標準宇宙學模型，大爆炸后物質(zhì)需要相當長時間才能在引力作用下坍縮形成恒星和星系。這些早期星系不僅數(shù)量驚人，其成熟度也超出預期。許多星系在宇宙年齡僅3億至4億年時就已形成完整結(jié)構(gòu)和成熟的恒星群體，其中一些星系的質(zhì)量相當于10億倍太陽質(zhì)量。凱西認為：“宇宙過早地產(chǎn)生了太多的光，它只有大約4億年時間來形成約10億倍太陽質(zhì)量的恒星。我們尚不確定這是如何實現(xiàn)的?！?/p>
COSMOS—Web的另一個重大發(fā)現(xiàn)是大量超大質(zhì)量黑洞在宇宙極早期的存在。這些宇宙“巨獸”通常位于星系中心，質(zhì)量相當于數(shù)百萬至數(shù)十億倍太陽質(zhì)量。按照傳統(tǒng)理論，它們需要數(shù)十億年才能通過吸積物質(zhì)緩慢增長到如此規(guī)模。然而，COSMOS—Web數(shù)據(jù)顯示，在宇宙年齡不足5億年時，這些超大質(zhì)量黑洞就已經(jīng)存在，它們與宿主星系共同演化的速度遠超理論預期。這一發(fā)現(xiàn)不僅挑戰(zhàn)了黑洞形成理論，也迫使科學家重新思考星系與黑洞共生關系的本質(zhì)——是黑洞先于宿主星系生長，還是星系先形成并在中心孕育黑洞？
這些突破性發(fā)現(xiàn)對現(xiàn)行標準宇宙學模型提出巨大挑戰(zhàn)。耶魯大學天體物理學家普里亞姆瓦達·納塔拉詹稱之為“理論震撼彈”：“如果這些星系真如數(shù)據(jù)展示得這么龐大、這么早形成，那么我們需要全面重寫關于宇宙早期演化的教科書。”這種理論與觀測的沖突，暗示著可能存在未知的物理過程，或者需要從根本上修正現(xiàn)有模型，特別是關于暗物質(zhì)性質(zhì)和早期宇宙物理學的部分。從哈勃望遠鏡到JWST，再到歐幾里得望遠鏡和未來計劃發(fā)射的羅曼空間望遠鏡，隨著技術(shù)的不斷進步，我們相信，人類必將能夠繪制更加精準、完整的宇宙圖譜，逐步揭開宇宙結(jié)構(gòu)與物質(zhì)分布的神秘面紗。
(作者為中國科學院大學天文與空間科學學院、國家天文臺副教授)
《 人民日報 》( 2025年09月26日 16 版)
