早期宇宙中发现三个星系“红色怪物”挑战现有的星系形成模型

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由日内瓦大学 (UNIGE) 领导的一个国际团队发现了三个超大质量星系，其质量几乎与银河系一样大，它们在宇宙大爆炸后的第一个十亿年内就已经存在。
这一惊人发现得益于詹姆斯·韦伯太空望远镜的 FRESCO 项目，该项目使用 NIRCam/光栅光谱仪测量星系的精确距离和恒星质量。结果表明，早期宇宙中恒星的形成效率远高于之前的想象，挑战了现有的星系形成模型。这项研究发表在《自然》杂志上。
在科学家青睐的理论模型中，星系是在巨大的暗物质晕中逐渐形成的。暗物质晕将气体（原子和分子）捕获到引力束缚结构中。通常，最多只有约 20% 的气体会转化为星系中的恒星。
然而，新的发现挑战了这一观点。研究人员发现，早期宇宙中的大质量星系在形成恒星方面可能比后期星系效率更高，生长速度也比之前认为的要快得多。
发现“红色怪物”
JWST 无与伦比的能力使天文学家能够系统地研究非常遥远和早期宇宙中的星系，从而深入了解质量巨大且被尘埃遮蔽的星系。通过分析 FRESCO 调查中的星系，科学家发现大多数来源都符合现有模型。
然而，他们还发现了三个质量惊人的星系，恒星质量与今天的银河系相当。这些星系形成恒星的效率几乎是其低质量星系和后期星系的两倍。由于它们尘埃含量高，在詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的图像中呈现出明显的红色，它们被称为三个“红色怪物”。
“我们的发现正在重塑我们对早期宇宙星系形成的理解，”这项新研究的主要作者、日内瓦大学理学院天文系博士后研究员肖孟元博士说。
“在詹姆斯·韦伯太空望远镜发射之前，这些‘红色怪物’的质量特性很难确定，因为它们因尘埃衰减而无法在光学上看见，”法国原子能委员会巴黎-萨克雷分校的研究主任戴维·埃尔巴兹博士说。
星系观测的里程碑
该国际团队与詹姆斯·韦伯太空望远镜合作开发了一项新计划，系统地分析宇宙历史最初十亿年内发射线星系的完整样本。这种方法使团队能够对整个星系样本进行精确的距离估计和可靠的恒星质量测量。
“我们的发现凸显了 NIRCam/光栅光谱学的非凡威力，”日内瓦大学理学院天文学系副教授、该观测项目首席研究员 Pascal Oesch 解释道。
“太空望远镜上的仪器使我们能够识别和研究星系随时间的生长，并更清楚地了解恒星质量在宇宙历史过程中是如何积累的。”
早期宇宙中星系数量太多、质量太大
虽然这些发现与标准宇宙学模型并不冲突，但它们对星系形成理论提出了新的问题，特别是早期宇宙中“太多、太重”星系的问题。
目前的模型可能需要考虑一些独特的过程，这些过程使得某些早期大质量星系能够实现如此高效的恒星形成，从而在宇宙的早期非常迅速地形成。未来使用詹姆斯·韦伯太空望远镜和阿塔卡马大型毫米波阵列 (ALMA) 进行的观测将进一步深入了解这些超大质量红色怪物，并揭示此类源的更大样本。
“这些结果表明，早期宇宙中的星系可以以意想不到的效率形成恒星，”肖博士总结道。“随着我们更深入地研究这些星系，它们将为塑造宇宙早期时代的条件提供新的见解。红色怪物只是我们探索早期宇宙新时代的开始。”