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宇宙早期有哪些未解之谜?

2025-09-19
大约 138 亿年前,宇宙从一次难以想象的极高温极高密状态中诞生,这便是大家熟知的 “宇宙大爆炸”。然而,这并非普通的爆炸,而是空间本身剧烈膨胀,就像气球被瞬间吹大。
最初几亿年,宇宙逐渐冷却,却依然一片漆黑,如同黎明前的漫漫长夜。这一时期被称为 “宇宙黑暗时代”,因为未有任何恒星或星系诞生来点亮这片广袤空间。
直到大爆炸约 4 亿年后,宇宙中才点亮了 “第一盏灯”—— 第一批恒星和星系开始形成,终结了 “黑暗时代”,宇宙终于迎来了 “黎明时期”。
这些诞生于宇宙早期的星系,与今天在夜空中看到的近邻成熟星系大不相同。它们通常体积更小、结构更紧密,并且活动异常剧烈 —— 就像充满活力的青少年。在这些早期的星系中,尤其引人注目的是类星体。它们是宇宙中极其明亮的 “探照灯”,其光芒由星系中心潜伏的超大质量黑洞驱动:当黑洞贪婪地吞噬周围物质时,会释放出难以想象的巨大能量,其亮度甚至超越整个宿主星系所有恒星的总和!
然而,一个巨大谜团随之浮现。天文学家们惊讶地发现,在宇宙年龄尚不足 10 亿年,也就是宇宙 “婴儿期” 时,已经存在一些质量极其庞大、结构相对成熟的星系,以及质量高达太阳数十亿倍的超级黑洞。这些宇宙 “巨婴”,是如何在短暂的宇宙童年里迅速形成的?这个问题至今困扰着科学家。

黑洞的 “家园” 什么样?

探索宇宙 “婴儿期” 的奥秘,我们需要强大的 “时间机器”。詹姆斯・韦布太空望远镜(简称 JWST)正是这样一款 “神器”。作为人类迄今建造的最强大的太空望远镜,JWST 于 2021 年发射升空。它如同一位宇宙考古学家,能捕捉来自遥远过去的光线,让我们直接观测宇宙年龄仅为现在 5% 时的模样。
为何 JWST 如此独特?关键之一在于它的主要观测波段在红外波段。来自远古星系的光线,在穿越膨胀的宇宙时被 “拉长”(红移)到了红外波段。就像一张被放慢转速的老唱片,只有依靠特殊设备才能还原原始声音。JWST 搭载的精密仪器,正是为了解析这些来自宇宙深处的微弱信号,揭开早期星系与黑洞的秘密。

谁给星系 “青春期” 踩下 “急刹车”?

团队的后续研究则利用 JWST 的高分辨率光谱仪(NIRSpec),进一步剖析了该项目中两个类星体宿主星系的恒星组成。
分析揭示,星系中的大部分恒星形成于宇宙更早期的阶段(约大爆炸后 7 亿~8 亿年)。令人惊讶的是,光谱数据表明,这些星系都经历过一次剧烈的 “星暴” 事件 —— 即在极短的时间尺度内(仅数千万年),爆发式地形成了海量恒星。以其中一个星系为例,其恒星形成速率曾飙升至惊人的每年约 2000 倍太阳质量。这相当于银河系当前恒星形成率的数千倍。
然而,这些星系的 “高速成长期” 异常短暂。光谱中的关键线索 —— 强烈的巴耳末吸收线,结合缺乏电离气体发射线表明,它们很快便耗尽了气体燃料,进入了 “后星暴” 阶段。这些星系中缺乏年轻恒星的踪迹,表明其大规模 “造星工厂” 已基本 “关停”。打个比方,它们就像是经历了生长突增后,又过早停止了发育。
回望宇宙历史,从最初弥漫的混沌气体云中,经过引力作用,无数恒星逐渐聚集,最终形成了形态各异的星系。银河系,就是这样一个包含数千亿颗恒星的 “宇宙岛屿”;太阳,只是其中一颗平凡的恒星;而地球,不过是环绕其运行的一粒幸运的行星。

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