星系究竟如何形成？

宇宙究竟是如何诞生，又是如何发展的？最早的恒星在何时出现，星系又是在什么时候形成？这些都是宇宙学研究中最基本，也是最关键的问题。关于整个宇宙的诞生和发展过程，人类已经有了一个基本的宇宙学模型对其进行描述。但是根据詹姆斯·韦布太空望远镜（James Webb Space Telescope）对于宇宙早期星系发回的最新数据，很多科学家担心人类对于宇宙发展的认知可能会被改写。

作为哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope）的继任者，人们对于在2021年12月25日升空的詹姆斯·韦布望远镜寄予厚望，希望它能够为人类解开很多宇宙之谜。在经过大约半年的准备之后，它开始向地球传回观测数据。此时，这架人类历史上最大、最昂贵、最复杂的太空望远镜正在距离地球150万公里之外的位置观测来自宇宙中最遥远的星光。

让我们看看在短短几个星期的时间里詹姆斯·韦布太空望远镜都做出了哪些发现。从2022年7月开始，望远镜完成准备工作，开始进入工作状态，紧接着就拍摄了包含有众多星系团、星云以及地外行星的前所未有的高清照片。它还拍摄了木星的红外照片，展示了木星的极光和极地雾霾。到了8月，天文学家在通过詹姆斯·韦布太空望远镜研究一颗距离地球大约700光年、名为“WASP-39b”的气态巨行星时，又首次发现在这颗行星的大气中存在二氧化碳。可以说，詹姆斯·韦布太空望远镜拍摄的照片以及做出的科学发现都非常重要，不过要说在这一个多月的时间里它做出的最重要，也是最让人感到意外的发现，要数它对宇宙中最早期星系的观测。

光速恒定，而宇宙空间则一直在膨胀。因此人类想要观测到宇宙中最早形成的恒星和星系，就必须向距离遥远的宇宙深处寻找它们曾经发出的光亮。宇宙的年龄大约是138亿年，科学家们希望詹姆斯·韦布太空望远镜能够发现在宇宙诞生5亿年之内形成的早期星系的痕迹。这些遥远的星光在到达地球时必然已经极其微弱，而且在膨胀的宇宙中运行，频率发生变化，大多已经转化为红外线。这超出了哈勃太空望远镜的探测能力。而主要探测红外线的詹姆斯·韦布太空望远镜最重要的科学目标之一正是寻找这些最早形成的星系。

詹姆斯·韦布太空望远镜刚刚传回的对宇宙早期星系的探测结果立刻让全世界的宇宙学家都大吃了一惊。数据显示，在宇宙诞生的5亿年时间之内，就已经出现了大量的明亮星系，其数量要远远多于科学家们此前的预测，也无法利用现有的宇宙模型进行解释。

根据现代宇宙模型的描述，宇宙诞生于大约138亿年之前的一次“大爆炸”。这次大爆炸究竟如何发生，在发生之后极短的时间之内又经历了怎样的过程，目前科学家们还不大清楚。宇宙在大爆炸之后很可能经历过“暴涨”。在诞生之初，整个宇宙都处于高温状态，还没有原子存在。在宇宙逐渐冷却之后，质子和电子结合在一起形成了氢原子，而后又形成了氢气。而后大量的氢气气体云因为引力作用聚合在一起，才逐渐形成了最早期的恒星和星系。

问题在于，根据现有的恒星形成理论，在宇宙形成初期，氢气气体云聚合在一起形成恒星的速度要远低于詹姆斯·韦布太空望远镜发回的观测数据。从最新的探测结果来看，在宇宙诞生的5亿年之内，宇宙中就已经充满了众多相对较小但是非常明亮的星系，其数量可能比人类通过模型推演的数值多了上千倍。也就是说，如果这个探测结果最终被证实，也就说明人类对于宇宙诞生和发展的理解可能需要进行重大修改。

在詹姆斯·韦布太空望远镜进行观测之前，人类发现的最古老的星系是大熊座的“GN-z11”，它诞生于宇宙形成大约4亿年之后。而就在詹姆斯·韦布太空望远镜向地球发回宇宙早期星系的观测数据之后，宇宙学家们就开始急于从中寻找更为古老的星系的痕迹。爱丁堡大学的几位科学家率先宣布他们发现了在宇宙诞生2.35亿年之后形成的星系“CEERS-93316”。而科学家们随后发现，在宇宙诞生的几亿年之内，已经存在大量的星系。

通过此前的太空观测和理论推导，科学家们认为恒星的形成与引力作用和气体云内部的热量相关。气体云的温度越高，其形成恒星的速度也就越慢。受到热量和周围超新星爆炸的影响，宇宙中最早期的恒星形成应该相对较慢。而根据此前哈勃太空望远镜的观测，在宇宙诞生6亿年之后，恒星形成的速度相对恒定。但根据詹姆斯·韦布太空望远镜的最新观测数据来看，在宇宙诞生初期，恒星形成的速度完全没有受到高温和周围超新星爆发的影响。

该如何理解詹姆斯·韦布太空望远镜发回的最新数据？有科学家认为，它所拍摄的照片只是聚焦于遥远宇宙的极小的一个点，有可能是它的拍摄位置恰好存在着大量的星系，其密度要远高于宇宙中的其他位置；还有一种可能是科学家们在计算星系的形成时间时发生了错误。想要解答这些困惑，可能还需要耐心等待詹姆斯·韦布太空望远镜传回更多的数据。在未来的几个月里，望远镜将会观测宇宙中的不同位置，发回更多关于宇宙形成初期恒星和星系的数据和图像。不仅如此，它可能还会观测形成星系的气体云的数据。

人类关于宇宙发展的模型是否需要修改，对于恒星和星系形成的理论是否会被推翻重建，在很大程度上取决于接下来詹姆斯·韦布太空望远镜的探测结果。可以说，这是一个激动人心的时刻。

[本文写作参考了《科学》（Science）杂志与美国航空航天局（NASA）发布的相关报道] 宇宙