恒星形成的爆发解释了宇宙黎明时神秘的亮度

当科学家们看到詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)拍摄的宇宙最早星系的第一张图像时，他们感到震惊。这些年轻的星系看起来太亮、太大、太成熟，不可能在大爆炸后这么快就形成。就像一个婴儿在短短几年内就成长为成年人一样。

这一惊人的发现甚至引起了一些物理学家对宇宙学标准模型的质疑，想知道是否应该颠覆它。

西北大学领导的天体物理学家团队通过新的模拟发现，这些星系可能根本没有那么大。尽管星系的亮度通常由其质量决定，但新发现表明，质量较小的星系也可以因不规则、明亮的恒星形成爆发而发出同样明亮的光。

这一发现不仅解释了为什么年轻星系显得如此巨大，而且也符合宇宙学的标准模型。

该研究发表在10月3日的《天体物理学杂志快报》上。

该研究的资深作者、西北大学的克劳德-安德烈·福彻-吉盖尔(Claude-AndréFaucher-Giguère)表示：“这些星系的发现令人大吃一惊，因为它们比预期的要亮得多。”

“通常情况下，星系之所以明亮，是因为它很大。但由于这些星系是在宇宙黎明时形成的，自大爆炸以来还没有过去足够的时间。这些巨大的星系如何能如此迅速地聚集?我们的模拟表明，星系形成这种亮度没有问题到宇宙黎明为止。”

“关键是在短时间内在系统中再现足够量的光，”领导这项研究的孙国超补充道。“这种情况可能会发生，因为该系统确实很大，或者因为它有能力快速产生大量光。在后一种情况下，系统不需要那么大。如果恒星形成是爆发式的，它将发出闪光。这就是为什么我们看到几个非常明亮的星系。”

Faucher-Giguère是西北大学温伯格艺术与科学学院物理学和天文学副教授，也是天体物理学跨学科探索与研究中心(CIERA)的成员。Sun是西北大学CIERA博士后研究员。

宇宙黎明是宇宙大爆炸后大约一亿年到十亿年的一段时期，其标志是宇宙第一批恒星和星系的形成。在JWST发射进入太空之前，天文学家对这个古老的时期知之甚少。

“JWST给我们带来了很多关于宇宙黎明的知识，”孙说。“在JWST之前，我们对早期宇宙的大部分了解都是基于极少数来源的数据的推测。随着观测能力的大幅提高，我们可以看到有关星系的物理细节，并利用这些可靠的观测证据来研究物理学了解正在发生的事情。”

在这项新研究中，Sun、Faucher-Giguère和他们的团队使用先进的计算机模拟来模拟大爆炸后星系是如何形成的。模拟产生的宇宙黎明星系与JWST观测到的星系一样明亮。这些模拟是相对论环境反馈(FIRE)项目的一部分，该项目是Faucher-Giguère与加州理工学院、普林斯顿大学和加州大学圣地亚哥分校的合作者共同创立的。

这项新研究包括来自熨斗研究所计算天体物理中心、麻省理工学院和加州大学戴维斯分校的合作者。

FIRE模拟结合了天体物理学理论和先进算法来模拟星系的形成。这些模型使研究人员能够探索星系如何形成、生长和改变形状，同时考虑从恒星返回的能量、质量、动量和化学元素。

当Sun、Faucher-Giguère和他们的团队对宇宙黎明时形成的早期星系进行模拟时，他们发现恒星是爆发式形成的，这一概念被称为“爆发式恒星形成”。在像银河系这样的大质量星系中，恒星以稳定的速度形成，恒星的数量随着时间的推移逐渐增加。但是，当恒星以交替的模式形成时，就会发生所谓的爆发式恒星形成——许多恒星同时形成，然后是数百万年的极少数新恒星，然后又是许多恒星。

“爆发式恒星形成在低质量星系中尤其常见，”福彻-吉盖尔说。“为什么会发生这种情况的细节仍然是正在进行的研究的主题。但我们认为会发生的是，恒星爆发形成，然后几百万年后，这些恒星爆炸成超新星。气体被踢出，然后回落形成新的恒星，推动恒星形成的循环。”

“但是当星系变得足够大时，它们的引力就会强得多。当超新星爆炸时，它们的强度不足以将气体从系统中喷射出来。引力将星系保持在一起并使其进入稳定状态。”

模拟还能够产生与JWST揭示的同样丰富的明亮星系。换句话说，模拟预测的明亮星系的数量与观测到的明亮星系的数量相匹配。

尽管其他天体物理学家假设爆发性恒星形成可能是宇宙黎明时星系异常亮度的原因，但西北大学的研究人员是第一个使用详细的计算机模拟来证明这是可能的。他们能够做到这一点，而无需添加与我们的标准宇宙模型不一致的新因素。

“星系中的大部分光来自质量最大的恒星，”福彻-吉盖尔说。“因为质量越大的恒星燃烧速度越快，它们的寿命就越短。它们在核反应中迅速耗尽燃料。因此，星系的亮度更直接地与它在过去几百万年中形成的恒星数量有关比整个银河系的质量还要大。”