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王 鑫
現代天文學中的“宇宙圖譜”研究旨在為整個浩瀚宇宙繪制一幅三維動態圖譜，標記億萬星系的位置、速度和演化歷程，這是揭秘星系形成、宇宙演化的重要工具。閃亮的“宇宙大片”正在科學家們的努力下不斷突破。不久前，由多個國家科研機構聯合組成的項目組正式發布了迄今最大的深空測繪宇宙圖譜COSMOS—Web。該圖譜基于詹姆斯·韋布空間望遠鏡(JWST)的觀測數據，構建了包含近80萬個星系的詳細信息，時間跨度達到135億年，覆蓋宇宙約138億年演化史中98%的時間。這些數據刷新了人們對星系形成和演化的認知，為探索早期宇宙提供了新路徑。
這是一張以前所未有的尺度繪制的超深廣角宇宙圖像。它的觀測天區位于雙魚座方向，觀測面積達0.54平方度，相當于從地球上看月球面積的3倍。研究團隊負責人之一、美國加州大學圣塔芭芭拉分校教授凱特琳·凱西打了一個比方，如果把具有相同觀測深度的“哈勃超深空場”圖像打印在一張A4紙上，那么按照同樣比例，COSMOS—Web的圖像則相當于一幅邊長約4米的巨型壁畫。項目總觀測時間為255小時，是JWST首年觀測任務中耗時最長的單一項目，僅此次發布的影像數據量就超過1.5TB(太字節)，為天文學家提供了前所未有的宇宙演化“動態影像”，而非零散的“快照”。
COSMOS—Web的成功制作離不開JWST革命性的紅外觀測能力，這是其與“前輩”哈勃望遠鏡最根本的區別。宇宙膨脹導致來自遙遠天體的光波長被拉長(紅移效應)，早期宇宙天體發出的紫外和可見光經過漫長的旅程到達地球時，已被紅移至紅外波段。哈勃望遠鏡主要觀測紫外、可見光到波長1.6微米以下的近紅外波段，而JWST可覆蓋波長0.6—28微米的近紅外到中紅外波段，使其能夠追溯更高紅移亦即宇宙更為初始的演化階段。同時，JWST比哈勃望遠鏡的主鏡大了約6倍，因此其集光能力和靈敏度大幅提升，這使得JWST的“眼睛”有能力看到更遙遠、暗弱的天體。這兩方面的優勢使JWST成為觀測宇宙“黎明時期”的理想工具，是宇宙圖譜成功繪制的關鍵所在。
COSMOS—Web最令人震撼的發現是宇宙早期存在數量驚人的星系，這顛覆了以往的理論預期。它的觀測數據顯示，在宇宙誕生后的最初5億年內，星系實測數量是基于哈勃數據預測值的約10倍。這一發現讓天文學家深感困惑，因為按照標準宇宙學模型，大爆炸后物質需要相當長時間才能在引力作用下坍縮形成恒星和星系。這些早期星系不僅數量驚人，其成熟度也超出預期。許多星系在宇宙年齡僅3億至4億年時就已形成完整結構和成熟的恒星群體，其中一些星系的質量相當于10億倍太陽質量。凱西認為：“宇宙過早地產生了太多的光，它只有大約4億年時間來形成約10億倍太陽質量的恒星。我們尚不確定這是如何實現的。”
COSMOS—Web的另一個重大發現是大量超大質量黑洞在宇宙極早期的存在。這些宇宙“巨獸”通常位于星系中心，質量相當于數百萬至數十億倍太陽質量。按照傳統理論，它們需要數十億年才能通過吸積物質緩慢增長到如此規模。然而，COSMOS—Web數據顯示，在宇宙年齡不足5億年時，這些超大質量黑洞就已經存在，它們與宿主星系共同演化的速度遠超理論預期。這一發現不僅挑戰了黑洞形成理論，也迫使科學家重新思考星系與黑洞共生關系的本質——是黑洞先于宿主星系生長，還是星系先形成并在中心孕育黑洞？
這些突破性發現對現行標準宇宙學模型提出巨大挑戰。耶魯大學天體物理學家普里亞姆瓦達·納塔拉詹稱之為“理論震撼彈”：“如果這些星系真如數據展示得這么龐大、這么早形成，那么我們需要全面重寫關于宇宙早期演化的教科書。”這種理論與觀測的沖突，暗示著可能存在未知的物理過程，或者需要從根本上修正現有模型，特別是關于暗物質性質和早期宇宙物理學的部分。從哈勃望遠鏡到JWST，再到歐幾里得望遠鏡和未來計劃發射的羅曼空間望遠鏡，隨著技術的不斷進步，我們相信，人類必將能夠繪制更加精準、完整的宇宙圖譜，逐步揭開宇宙結構與物質分布的神秘面紗。
(作者為中國科學院大學天文與空間科學學院、國家天文臺副教授)
《 人民日報 》( 2025年09月26日 16 版)
