原標(biāo)題：“宇宙大片”看到了什么（科技大觀）　　

現(xiàn)代天文學(xué)中的“宇宙圖譜”研究旨在為整個(gè)浩瀚宇宙繪制一幅三維動(dòng)態(tài)圖譜，標(biāo)記億萬(wàn)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(xué)家們的努力下不斷突破。不久前，由多個(gè)國(guó)家科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合組成的項(xiàng)目組正式發(fā)布了迄今最大的深空測(cè)繪宇宙圖譜COSMOS—Web。該圖譜基于詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）的觀測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了包含近80萬(wàn)個(gè)星系的詳細(xì)信息，時(shí)間跨度達(dá)到135億年，覆蓋宇宙約138億年演化史中98%的時(shí)間。這些數(shù)據(jù)刷新了人們對(duì)星系形成和演化的認(rèn)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(cè)天區(qū)位于雙魚座方向，觀測(cè)面積達(dá)0.54平方度，相當(dāng)于從地球上看月球面積的3倍。研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人之一、美國(guó)加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校教授凱特琳·凱西打了一個(gè)比方，如果把具有相同觀測(cè)深度的“哈勃超深空?qǐng)觥眻D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(dāng)于一幅邊長(zhǎng)約4米的巨型壁畫。項(xiàng)目總觀測(cè)時(shí)間為255小時(shí)，是JWST首年觀測(cè)任務(wù)中耗時(shí)最長(zhǎng)的單一項(xiàng)目，僅此次發(fā)布的影像數(shù)據(jù)量就超過(guò)1.5TB（太字節(jié)），為天文學(xué)家提供了前所未有的宇宙演化“動(dòng)態(tài)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(cè)能力，這是其與“前輩”哈勃望遠(yuǎn)鏡最根本的區(qū)別。宇宙膨脹導(dǎo)致來(lái)自遙遠(yuǎn)天體的光波長(zhǎng)被拉長(zhǎng)（紅移效應(yīng)），早期宇宙天體發(fā)出的紫外和可見(jiàn)光經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的旅程到達(dá)地球時(shí)，已被紅移至紅外波段。哈勃望遠(yuǎn)鏡主要觀測(cè)紫外、可見(jiàn)光到波長(zhǎng)1.6微米以下的近紅外波段，而JWST可覆蓋波長(zhǎng)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(shí)，JWST比哈勃望遠(yuǎn)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(yuǎn)、暗弱的天體。這兩方面的優(yōu)勢(shì)使JWST成為觀測(cè)宇宙“黎明時(shí)期”的理想工具，是宇宙圖譜成功繪制的關(guān)鍵所在。

COSMOS—Web最令人震撼的發(fā)現(xiàn)是宇宙早期存在數(shù)量驚人的星系，這顛覆了以往的理論預(yù)期。它的觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在宇宙誕生后的最初5億年內(nèi)，星系實(shí)測(cè)數(shù)量是基于哈勃數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)值的約10倍。這一發(fā)現(xiàn)讓天文學(xué)家深感困惑，因?yàn)榘凑諛?biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型，大爆炸后物質(zhì)需要相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)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(shù)量驚人，其成熟度也超出預(yù)期。許多星系在宇宙年齡僅3億至4億年時(shí)就已形成完整結(jié)構(gòu)和成熟的恒星群體，其中一些星系的質(zhì)量相當(dāng)于10億倍太陽(yáng)質(zhì)量。凱西認(rèn)為：“宇宙過(guò)早地產(chǎn)生了太多的光，它只有大約4億年時(shí)間來(lái)形成約10億倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星。我們尚不確定這是如何實(shí)現(xiàn)的。”

COSMOS—Web的另一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)是大量超大質(zhì)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(zhì)量相當(dāng)于數(shù)百萬(wàn)至數(shù)十億倍太陽(yáng)質(zhì)量。按照傳統(tǒng)理論，它們需要數(shù)十億年才能通過(guò)吸積物質(zhì)緩慢增長(zhǎng)到如此規(guī)模。然而，COSMOS—Web數(shù)據(jù)顯示，在宇宙年齡不足5億年時(shí)，這些超大質(zhì)量黑洞就已經(jīng)存在，它們與宿主星系共同演化的速度遠(yuǎn)超理論預(yù)期。這一發(fā)現(xiàn)不僅挑戰(zhàn)了黑洞形成理論，也迫使科學(xué)家重新思考星系與黑洞共生關(guān)系的本質(zhì)——是黑洞先于宿主星系生長(zhǎng)，還是星系先形成并在中心孕育黑洞？

這些突破性發(fā)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型提出巨大挑戰(zhàn)。耶魯大學(xué)天體物理學(xué)家普里亞姆瓦達(dá)·納塔拉詹稱之為“理論震撼彈”：“如果這些星系真如數(shù)據(jù)展示得這么龐大、這么早形成，那么我們需要全面重寫關(guān)于宇宙早期演化的教科書?！边@種理論與觀測(cè)的沖突，暗示著可能存在未知的物理過(guò)程，或者需要從根本上修正現(xiàn)有模型，特別是關(guān)于暗物質(zhì)性質(zhì)和早期宇宙物理學(xué)的部分。從哈勃望遠(yuǎn)鏡到JWST，再到歐幾里得望遠(yuǎn)鏡和未來(lái)計(jì)劃發(fā)射的羅曼空間望遠(yuǎn)鏡，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們相信，人類必將能夠繪制更加精準(zhǔn)、完整的宇宙圖譜，逐步揭開宇宙結(jié)構(gòu)與物質(zhì)分布的神秘面紗。

（作者為中國(guó)科學(xué)院大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院、國(guó)家天文臺(tái)副教授）