已知的宇宙,始于⼤约138亿年前的⼤爆炸。⾃那时起,随着宇宙的膨胀和冷却,原⼦、分⼦、恒星、星系等结构逐渐形成。当天⽂学家利⽤⻙布空间望远镜(JWST)寻找那些最早期的星系时,他们发现了令⼈不安的结果:⼀些星系的质量⼤得惊⼈!
根据⽬前的宇宙结构和演化的模型,即所谓的ΛCDM模型(含宇宙学常数的冷暗物质模型),星系应该是以等级式的⽅式形成的:⾸先形成的应该是质量不超过100万倍太阳质量的“⼩”团簇;然后这些团簇应该并合形成第⼀批矮星系;接下来它们会成为拥有数⼗亿或数万亿颗恒星的⼤星系;这些星系依次并合形成星系群,最终形成⼤质量星系团。也就是说,JWST观测到的这些最早期的星系,应该没有⾜够的时间来积累这么多的质量。
天⽂学家推测,有可能是恒星质量被⾼估了,⼜或者我们只是幸运地发现了当时质量最⼤的星系。
现在,⼀个国际研究团队提出了⼀种可能进⼀步加剧这种争议的效应,这⼀效应与如何测量⼀个星系的恒星质量有关。简单来说,⼀个星系的恒星质量是通过测量星系发出的光来估算的。通过星系发出的光的量,他们可以计算出需要多少颗恒星才可以发出这么多的光。通常,天⽂学家会考虑来⾃整个星系的组合光。
然⽽,当研究⼈员在分析由JWST观测到的五个星系的样本时发现,如果不将星系视为⼀⼤团恒星,⽽是将其视为由多个团块组成的实体,那么就会出现不同的画⾯。具体来说,在计算恒星质量时,研究⼈员考虑的并⾮来⾃整个星系的光,⽽是对JWST图像中的逐个像素使⽤了标准的质量计算程序。
他们原本以为,将来⾃所有像素的光相加所得到的总恒星质量,与先计算每个像素的对应的恒星质量,再将这些质量相加所得到的总恒星质量,应该是相同的。然⽽,事实却并⾮如此。这两种⽅法推断出的恒星质量差异,最多可⾼达10倍。
是什么原因使得恒星的质量变得如此之⼤呢?研究⼈员认为,在恒星群中,混合存在着⼩⽽暗淡的恒星和⼤⽽明亮的恒星,如果只看组合光,那些暗淡恒星的光往往会被明亮恒星完全盖过,从⽽不被注意。
新的分析表明,明亮的产星团簇可能在总光中占主导,⽽⼤部分质量是存在于较⼩的恒星中的。恒星质量是⽤来描述星系特征的⼀个主要属性。新的结果突显了能够分辨星系的重要性。但这种分辨能⼒对于最遥远和最暗淡的星系来说,并不总是可⾏的。其实,过去也有研究发现了这种差异,但它们聚焦的是宇宙历史上晚得多的时期。
如果能够确定这种效应在早期宇宙的普遍程度和严重程度,并对其进⾏量化,科学家就能更接近于推断遥远星系的恒星质量,这是⽬前研究早期星系的主要挑战之⼀。接下来,研究⼈员将寻找那些不需要⾼分辨率,⽽⼜与“真实的”恒星质量相关的特征。