詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）拍攝的早期星系圖像顯示出了意想不到的亮度，這讓我們對宇宙學的理解產生了疑問。美國西北大學的模擬結果表明，這些星系的亮度是由於零星恆星的形成，而不是巨大的體積，這與目前的宇宙學模型相吻合。

強烈的閃光，而不是質量，解決了不可能的亮度之謎。當科學家看到詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）拍攝的第一批宇宙最早星系的圖像時，他們感到非常震驚。這些年輕的星系看起來太亮、太大、太成熟，不可能在宇宙大爆炸後這麼快就形成。這就好比一個嬰兒在短短幾年內就長成了大人。

這項驚人的發現甚至引起了一些物理學家對宇宙學標準模型的質疑，懷疑它是否應該被顛覆。

銀河系亮度與質量

美國西北大學領導的天文物理學家小組利用新的模擬方法發現，這些星系的質量可能並沒有那麼大。雖然星系的亮度通常是由其質量決定的，但新的發現表明，質量較小的星係也能因不規則、燦爛的恆星形成爆發而發出同樣明亮的光芒。

這項發現不僅解釋了為什麼年輕的星系看起來具有欺騙性的質量，而且也符合宇宙學的標準模型。

這項研究發表在10月3日的《天文物理學雜誌通訊》（Astrophysical Journal Letters）。

藝術家構想的早期星爆星系。該圖像是根據用於這項研究的FIRE模擬數據繪製的，可以解釋JWST最近的研究結果。恆星和星系顯示為明亮的白色光點，而較分散的暗物質和氣體則顯示為紫色和紅色。資料來源：Aaron M. Geller，西北大學，CIERA + IT-RCDS

西北大學的Claude-André Faucher-Giguère 是這項研究的資深作者，他說：”這些星系的發現是一個巨大的驚喜，因為它們比預期的要亮得多。通常情況下，星系之所以明亮是因為它很大。但由於這些星係是在宇宙黎明時形成的，因此大爆炸後的時間還不夠長。這些巨大的星系怎麼會如此迅速地聚集在一起？我們的模擬結果表明，星系在宇宙黎明時形成這種亮度是沒有問題的”。

領導這項研究的孫國超補充說：”關鍵是要在短時間內在一個系統中再現足夠數量的光。之所以會出現這種情況，要么是因為系統的質量非常大，要么是因為它有能力迅速產生大量的光。在後一種情況下，系統並不需要那麼大的質量。如果恆星的形成是在爆發中發生的，它就會發出閃光。這就是我們看到幾個非常明亮的星系的原因。”

Faucher-Giguère是西北大學溫伯格藝術與科學學院物理學與天文學副教授，也是天文物理學跨學科探索與研究中心（CIERA）的成員。Sun 是西北大學CIERA 的博士後研究員。

了解宇宙黎明

宇宙黎明是宇宙大爆炸後大約1億年到10億年的一段時期，其標誌是宇宙中第一批恆星和星系的形成。在JWST 進入太空之前，天文學家對這段古老的時期知之甚少。

“JWST為我們帶來了很多關於宇宙黎明的知識。在JWST 出現之前，我們對早期宇宙的了解大多是根據極少數來源的數據推測出來的。隨著觀測能力的大幅提升，我們可以看到星系的物理細節，並利用這些確鑿的觀測證據來研究物理學，從而了解正在發生的事情。”

在這項新研究中，Sun、Faucher-Giguère 和他們的團隊使用了先進的電腦模擬來模擬星系在大爆炸之後是如何形成的。模擬生成的宇宙黎明星系與JWST 觀測到的星系一樣明亮。這些模擬是相對論環境回饋（FIRE）計畫的一部分，Faucher-Giguère 與加州理工學院、普林斯頓大學和加州大學聖地牙哥分校的合作者共同創立了該計畫。這項新研究的合作者包括來自Flatiron 研究所計算天文物理學中心、麻省理工學院和加州大學戴維斯分校的研究人員。

FIRE模擬結合了天文物理學理論和先進的演算法來模擬星系的形成。這些模型使研究人員能夠探討星係是如何形成、成長和改變形狀的，同時考慮恆星返回的能量、質量、動量和化學元素。

當Sun、Faucher-Giguère 和他們的團隊運行模擬來模擬宇宙黎明時形成的早期星系時，他們發現恆星是在爆發中形成的–這一概念被稱為”爆發式恆星形成”。在像銀河系這樣的大質量星系中，恆星以穩定的速度形成，恆星的數量隨著時間的推移逐漸增加。但是，當恆星以交替的模式形成時，就會出現所謂的爆發式恆星形成–一下子形成許多恆星，然後是數百萬年的極少數新恆星，接著又形成許多恆星。

“爆發式恆星形成在低質量星系中尤其常見，”Faucher-Giguère 說。「為什麼會出現這種情況的細節仍是正在進行的研究課題。但我們認為發生的情況是，恆星形成爆發，然後在幾百萬年後，這些恆星以超新星的形式爆炸。氣體被踢出，然後又落回，形成新的恆星，推動恆星形成的循環。但是當星系的質量足夠大時，它們的引力就會更強。當超新星爆炸時，它們的引力不足以把氣體拋出星系。引力將星系凝聚在一起，使其進入穩定狀態。”

明亮的星系和宇宙模型

模擬也能夠產生與JWST 所揭示的相同數量的明亮星系。換句話說，模擬預測的明亮星系數量與觀測到的明亮星系數量相吻合。

儘管其他天文物理學家也曾假設，爆發性恆星形成可能是宇宙黎明時星系異常明亮的原因，但西北大學的研究人員是第一個利用詳細的電腦模擬來證明這是可能的。而且他們能夠在不增加與我們的宇宙標準模型不一致的新因素的情況下做到這一點。

Faucher-Giguère說：「星系中的大部分光線都來自質量最大的恆星。因為質量更大的恆星燃燒速度更快，所以壽命更短。它們在核反應中迅速耗盡燃料。因此，一個星系的​​亮度與它在過去幾百萬年中形成的恆星數量有更直接的關係，而不是與整個星系的質量有關。”