“宇宙大片”看到了什么

现代天文学中的“宇宙图谱”研究旨在为整个浩瀚宇宙绘制一幅三维动态图谱，标记亿万星系的位置、速度和演化历程，这是揭秘星系形成、宇宙演化的重要工具。闪亮的“宇宙大片”正在科学家们的努力下不断突破。不久前，由多个国家科研机构联合组成的项目组正式发布了迄今最大的深空测绘宇宙图谱COSMOS—Web。该图谱基于詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）的观测数据，构建了包含近80万个星系的详细信息，时间跨度达到135亿年，覆盖宇宙约138亿年演化史中98%的时间。这些数据刷新了人们对星系形成和演化的认知，为探索早期宇宙提供了新路径。

这是一张以前所未有的尺度绘制的超深广角宇宙图像。它的观测天区位于双鱼座方向，观测面积达0.54平方度，相当于从地球上看月球面积的3倍。研究团队负责人之一、美国加州大学圣塔芭芭拉分校教授凯特琳·凯西打了一个比方，如果把具有相同观测深度的“哈勃超深空场”图像打印在一张A4纸上，那么按照同样比例，COSMOS—Web的图像则相当于一幅边长约4米的巨型壁画。项目总观测时间为255小时，是JWST首年观测任务中耗时最长的单一项目，仅此次发布的影像数据量就超过1.5TB（太字节），为天文学家提供了前所未有的宇宙演化“动态影像”，而非零散的“快照”。

COSMOS—Web的成功制作离不开JWST革命性的红外观测能力，这是其与“前辈”哈勃望远镜最根本的区别。宇宙膨胀导致来自遥远天体的光波长被拉长（红移效应），早期宇宙天体发出的紫外和可见光经过漫长的旅程到达地球时，已被红移至红外波段。哈勃望远镜主要观测紫外、可见光到波长1.6微米以下的近红外波段，而JWST可覆盖波长0.6—28微米的近红外到中红外波段，使其能够追溯更高红移亦即宇宙更为初始的演化阶段。同时，JWST比哈勃望远镜的主镜大了约6倍，因此其集光能力和灵敏度大幅提升，这使得JWST的“眼睛”有能力看到更遥远、暗弱的天体。这两方面的优势使JWST成为观测宇宙“黎明时期”的理想工具，是宇宙图谱成功绘制的关键所在。

COSMOS—Web最令人震撼的发现是宇宙早期存在数量惊人的星系，这颠覆了以往的理论预期。它的观测数据显示，在宇宙诞生后的最初5亿年内，星系实测数量是基于哈勃数据预测值的约10倍。这一发现让天文学家深感困惑，因为按照标准宇宙学模型，大爆炸后物质需要相当长时间才能在引力作用下坍缩形成恒星和星系。这些早期星系不仅数量惊人，其成熟度也超出预期。许多星系在宇宙年龄仅3亿至4亿年时就已形成完整结构和成熟的恒星群体，其中一些星系的质量相当于10亿倍太阳质量。凯西认为：“宇宙过早地产生了太多的光，它只有大约4亿年时间来形成约10亿倍太阳质量的恒星。我们尚不确定这是如何实现的。”

COSMOS—Web的另一个重大发现是大量超大质量黑洞在宇宙极早期的存在。这些宇宙“巨兽”通常位于星系中心，质量相当于数百万至数十亿倍太阳质量。按照传统理论，它们需要数十亿年才能通过吸积物质缓慢增长到如此规模。然而，COSMOS—Web数据显示，在宇宙年龄不足5亿年时，这些超大质量黑洞就已经存在，它们与宿主星系共同演化的速度远超理论预期。这一发现不仅挑战了黑洞形成理论，也迫使科学家重新思考星系与黑洞共生关系的本质——是黑洞先于宿主星系生长，还是星系先形成并在中心孕育黑洞？

这些突破性发现对现行标准宇宙学模型提出巨大挑战。耶鲁大学天体物理学家普里亚姆瓦达·纳塔拉詹称之为“理论震撼弹”：“如果这些星系真如数据展示得这么庞大、这么早形成，那么我们需要全面重写关于宇宙早期演化的教科书。”这种理论与观测的冲突，暗示着可能存在未知的物理过程，或者需要从根本上修正现有模型，特别是关于暗物质性质和早期宇宙物理学的部分。从哈勃望远镜到JWST，再到欧几里得望远镜和未来计划发射的罗曼空间望远镜，随着技术的不断进步，我们相信，人类必将能够绘制更加精准、完整的宇宙图谱，逐步揭开宇宙结构与物质分布的神秘面纱。

（作者为中国科学院大学天文与空间科学学院、国家天文台副教授）