詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)是迄今为止建造的最大、最强大的太空望远镜。自2021年12月发射以来，它提供了开创性的见解。其中包括发现最早和最遥远的已知星系，这些星系在大爆炸后仅存在3亿年。
遥远的物体也非常古老，因为这些物体发出的光需要很长时间才能到达望远镜。JWST现在已经发现了一些非常早期的星系。我们实际上是在回顾这些天体，看到它们在宇宙诞生后不久的样子。
来自JWST的这些观测结果与我们目前对宇宙学(旨在解释宇宙的科学学科)和星系形成的理解一致。但它们也揭示了我们意想不到的方面。许多早期星系比我们想象的要明亮得多，因为它们在大爆炸后不久就存在了。
明亮的星系被认为有更多的恒星和更多的质量。人们认为这种程度的恒星形成需要更多的时间。这些星系的中心也有活跃生长的黑洞——这表明这些天体在大爆炸后迅速成熟。那么我们该如何解释这些惊人的发现呢?它们是否打破了我们的宇宙学观念，或者需要改变宇宙的年龄?
科学家们已经能够通过结合JWST的详细图像和强大的光谱学能力来研究这些早期星系。光谱学是一种解释太空中物体发射或吸收的电磁辐射的方法。这反过来可以告诉你一个对象的属性。
我们对宇宙学和星系形成的理解是建立在几个基本观念之上的。其中之一是宇宙学原理，它指出，在大尺度上，宇宙是均匀的(到处都一样)和各向同性的(所有方向都一样)。结合爱因斯坦的广义相对论，这一原理使我们能够将宇宙的演化——它如何膨胀或收缩——与它的能量和质量内容联系起来。
标准的宇宙模型，被称为“热大爆炸”理论，包括三个主要组成部分，或成分。一种是我们可以用肉眼在星系、恒星和行星中看到的普通物质。第二种成分是冷暗物质(CDM)，一种缓慢移动的物质粒子，不发射、吸收或反射光。
第三个组成部分是已知的宇宙常数(Λ，或lambda)。这与暗能量有关，也是解释宇宙加速膨胀的一种方式。这些组成部分共同构成了所谓的ΛCDM宇宙学模型。
暗能量约占当今宇宙总能量的68%。
尽管科学仪器无法直接观测到暗物质，但暗物质被认为构成了宇宙中的大部分物质，占宇宙总质量和能量的27%左右。
虽然暗物质和暗能量仍然是神秘的，但ΛCDM宇宙学模型得到了广泛的详细观测的支持。这些包括宇宙膨胀的测量，宇宙微波背景，或CMB(大爆炸的“余辉”)，星系的发展和它们的大规模分布——例如，星系聚集的方式。
ΛCDM模型为我们理解星系的形成和演化奠定了基础。例如，宇宙大爆炸后大约38万年发射的CMB，提供了早期宇宙密度波动的快照。这些波动，尤其是暗物质的波动，最终发展成我们今天观察到的结构，比如星系和恒星。
星系的形成是一个复杂的过程，受到许多不同的物理现象的影响。其中一些机制还没有被完全理解，比如是什么过程控制着星系中的气体如何冷却和凝结形成恒星。
超新星、恒星风和释放大量能量的黑洞(有时被称为活动星系核，或AGN)的影响都可以加热或从星系中排出气体。这反过来又可以促进或减少恒星的形成，从而影响星系的成长。
这些“反馈过程”的效率和规模，以及它们随着时间的累积影响，人们知之甚少。在星系形成的数学模型或模拟中，它们是一个重要的不确定性来源。
在过去的十年里，在星系形成的复杂数值模拟方面取得了重大进展。从将恒星形成与暗物质晕的演化联系起来的更简单的模拟和模型中，仍然可以获得见解和线索。这些光晕是由暗物质构成的巨大的、看不见的结构，有效地将星系固定在其中。
一个简单的星系形成模型认为，星系中恒星形成的速度与流入这些星系的气体直接相关。该模型还提出，星系中恒星的形成速度与暗物质晕的增长速度成正比。它假设气体转化为恒星的效率是固定的，与宇宙时间无关。
这种“恒定的恒星形成效率”模型与宇宙大爆炸后10亿年内恒星形成急剧增加的理论是一致的。在此期间，暗物质晕的快速增长为星系有效地形成恒星提供了必要的条件。尽管它很简单，但这个模型已经成功地预测了广泛的实际观测结果，包括宇宙时间内恒星形成的总体速度。
JWST迎来了一个新的发现时代。凭借其先进的仪器，太空望远镜可以捕获详细的图像和高分辨率的光谱图，显示天空中物体发射或吸收的电磁辐射强度。对于JWST，这些光谱位于电磁波谱的近红外区域。研究这一区域对于观测早期星系至关重要，这些星系的可见光随着宇宙的膨胀而变成近红外线(或“红移”)。
红移描述了星系发出的光的波长在行进过程中如何被拉长。星系越遥远，它的红移就越大。
在过去的两年里，JWST已经确定并描述了红移值在10到15之间的星系。这些星系形成于宇宙大爆炸后大约2 - 5亿年，相对较小(直径约为100秒差距，或3千万亿公里)。它们每个都由大约1亿颗恒星组成，并以每年大约一颗类似太阳的恒星的速度形成新的恒星。
虽然这听起来并不令人印象深刻，但它意味着这些系统的恒星含量在1亿年内翻了一番。相比之下，我们的银河系需要大约250亿年的时间才能使恒星质量翻一番。
JWST对高红移或距离的明亮星系的惊人发现，可能意味着这些星系在大爆炸后成熟得比预期的要快。这很重要，因为它将挑战现有的星系形成模型。上面描述的恒定恒星形成效率模型，虽然有效地解释了我们所看到的很多东西，但很难解释大量红移超过10的明亮和遥远星系。
为了解决这个问题，科学家们正在探索各种可能性。这些变化包括他们关于气体随时间转化为恒星的效率的理论的变化。他们也在重新考虑反馈过程的相对重要性——超新星和黑洞等现象如何也有助于调节恒星的形成。
一些理论认为，早期宇宙中的恒星形成可能比以前认为的更加强烈或“爆发”，导致这些早期星系的快速增长和它们的表观亮度。
另一些人则提出了不同的因素，比如星系尘埃的数量较少，恒星质量的头重头轻分布，或者来自活跃黑洞等现象的贡献，可能是这些早期星系意想不到的亮度的原因。
为了解释JWST的发现，这些解释援引了星系形成物理学的变化。但科学家们也一直在考虑修改广义的宇宙学理论。例如，早期明亮星系的丰度可以部分解释为物质功率谱的变化。这是一种描述宇宙密度差异的方法。
在物质功率谱中实现这种变化的一种可能机制是一种叫做“早期暗能量”的理论现象。这是一种新的宇宙能量来源，与暗能量相似，可能在早期存在，红移为3000。这是在宇宙微波背景辐射被发射之前，也就是宇宙大爆炸后38万年。
这种早期的暗能量会在宇宙演化的重组阶段后迅速衰减。有趣的是，早期暗能量也可以缓解哈勃张力——对宇宙年龄的不同估计之间的差异。
2023年发表的一篇论文认为，JWST的星系发现需要科学家将宇宙的年龄延长数十亿年。
然而，其他现象可以解释明亮的星系。在JWST的观测结果被用于改变宇宙学的广泛观点之前，对星系中的物理过程有更详细的了解是必不可少的。
目前最遥远星系的记录保持者——由jwst确定——被称为JADES-GS-z14-0。迄今为止收集到的数据表明，这些星系具有多种不同的性质。
一些星系显示出存在释放能量的黑洞的迹象，而另一些星系似乎与存在年轻的、没有尘埃的恒星群一致。因为这些星系很微弱，而且观测它们很昂贵(需要很多小时的曝光时间)，迄今为止，只有20个红移超过10的星系被光谱观测到，而建立一个统计样本需要数年时间。
另一种不同的角度可能是观察宇宙后期的星系，当时宇宙的年龄在10亿到20亿年之间(红移在3到9之间)。JWST的能力使研究人员能够从这些物体中的恒星和气体中获得关键指标，这些指标可以用来限制星系形成的整体历史。
在JWST运行的第一年，有人声称一些最早的星系具有极高的恒星质量(包含在其中的恒星质量)，并且需要改变宇宙学以适应存在于非常早期宇宙中的明亮星系。它们甚至被称为“宇宙破坏者”星系。
不久之后，很明显，这些星系并没有破坏宇宙，但它们的性质可以用一系列不同的现象来解释。更好的观测数据表明，一些天体的距离被高估了(这导致了对它们的恒星质量的高估)。
这些星系发出的光可以由恒星以外的其他来源提供动力，比如吸积黑洞。模型或模拟中的假设也会导致这些星系中恒星总质量的偏差。
随着JWST继续其使命，它将帮助科学家完善他们的模型，并回答一些关于我们宇宙起源的最基本问题。它将解开更多关于宇宙早期的秘密，包括这些明亮、遥远星系的谜团。
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