可能被改写的宇宙模型

自从在2021年12月25日进入太空以来，詹姆斯·韦布太空望远镜（James Webb Space Telescope）在经过了大约半年时间的准备之后，便通过望向宇宙深处的方式回溯宇宙的历史，希望能发现在宇宙诞生初期恒星和星系形成的过程。在詹姆斯·韦布太空望远镜的多个科学目标之中，这也是最受宇宙学家关注的一项。在升空一年多之后，它已经发回了大量观测数据供宇宙学家分析。这些人类探索宇宙的最新且最前沿的数据在不断地带来惊奇，甚至可能改变人类的宇宙观。

此前执行类似宇宙探测任务的是哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope），但其主要是在可见光范围内进行观测。想要追溯宇宙中最早形成的恒星的光芒，就需要在红外线的频率范围进行探测——这正是詹姆斯·韦布太空望远镜的强项。2022年夏天，詹姆斯·韦布太空望远镜开始了探测工作。实际上，从它开始向地球传回数据之时起，在宇宙学界就已经激起了热烈讨论。原因就在于这些前所未有的探测数据与人类花费了数十年建立的“宇宙标准模型”，也就是所谓的“Λ-冷暗物质模型”（Lambda-Cold Dark Matter Model）并不相符。如今半年时间过去，更多的宇宙学家加入到对宇宙诞生初期形态的研究和讨论之中，这种不安也越来越强烈。

目前我们认为宇宙的年龄大约在137亿年，而通过詹姆斯·韦布太空望远镜的观测数据，科学家们发现在宇宙诞生的5亿年时间之内，就已经形成了多个成熟的、闪耀的星系——这远远超出人们利用标准宇宙模型进行计算的结果。

宇宙并非自诞生之初就有光。恒星和星系都是宇宙发展到一定阶段才出现的产物。根据标准模型对宇宙诞生和发展过程的描述，在大爆炸发生之后，宇宙最初是处于一种极高温和极高密度的状态之中。目前人类还不能完全理解这种由量子和引力效应所支配的宇宙状态。而后随着温度降低，空间发生膨胀，宇宙逐渐形成一种“夸克－胶子等离子体”，而后又转变为“强子等离子体”——通俗一点形容，这时的宇宙就如同一锅处于混沌状态的粒子粥。随着宇宙进一步膨胀，逐渐形成了中性原子。暗能量和暗物质开始主宰宇宙结构的形成和演化。也正是在暗物质的引力作用下，气体聚集在一起，并形成了第一代恒星——宇宙被点亮了。这个故事，正是人们依照标准宇宙模型大致描述的宇宙诞生和早期发展的过程。

问题在于，这个对于宇宙学家来说已经习以为常的故事与詹姆斯·韦布太空望远镜的最新观测数据并不完全相符。根据标准宇宙模型的描述，宇宙要在诞生几亿年之后才进入到一个相对透明且物质稀薄的“黎明时期”，第一代恒星和星系由此出现。在很大程度上，恒星和星系的形成也要依靠暗物质聚集在一起形成“暗物质晕”（halo）。这种占到宇宙中物质总量大约85%的物质因为自身引力使气体发生聚集，促进了恒星和星系的形成——而这样的叙述无法解释宇宙学家通过詹姆斯·韦布太空望远镜发现的众多早期星系。

是否需要改写标准宇宙模型，用一套全新的理论去描述宇宙的演化过程？只能说目前的证据还不够充分，宇宙学家也大致分成了两派。此前曾两次接受过本刊采访的伦敦大学学院宇宙学家理查德·艾利斯（Richard Ellis）认为，尽管詹姆斯·韦布太空望远镜的功能非常强大，获取了宇宙初期的图像，但是现在下任何结论都还为时尚早。有可能是望远镜所观测的那个区域恰好恒星和星系的分布都尤为密集，也有可能是某种尚不清楚的机制让它们显得格外明亮。

也有宇宙学家认为，在宇宙诞生初期，恒星形成的机制与几十亿年之后的形成机制并不相同。当时气体的密度要比之后高出1000倍以上，而且其中的物质也没有重元素，因此恒星形成的速度要更快，质量也更小。也正是因为形成恒星的物质中不含有灰尘，其亮度也就明显高于几十亿年之后形成的恒星。也有宇宙学家认为在宇宙诞生初期，恒星形成的速度会出现循环，或者早期恒星的超高亮度是受到了宇宙形成初期的超大质量黑洞的影响。

研究者本以为会发现一些刚刚诞生的、年轻的星系，结果却发现了在现代宇宙中常见的成熟的大型星系——目前的宇宙学理论无法解释，在宇宙年龄只有现在的大约3%，也就是大约5亿年时间时，是如何迅速形成了这么多明亮的恒星，以及如此成熟的星系。或许宇宙“黑暗时代”并没有人们此前想象的那么黑暗，恒星形成的时间要远早于人们的预计。

人们期待詹姆斯·韦布太空望远镜对宇宙的其他区域进行更细致的探测，发回更详细的数据供宇宙学家分析。而在宇宙学家不安的讨论之中也隐藏着兴奋。人类建立起的标准宇宙模型是否需要修改，人类对于宇宙的认识是否会发生又一次转变？毕竟宇宙学才出现了不到100年时间，可以说人类对于宇宙的认识刚刚开始。每一次的修改和转变，也就意味着一个全新的突破，以及人类对于宇宙更深的理解。

〔本文写作参考了《科学》（Science）杂志和美国航空航天局（NASA）网站的报道〕 宇宙