138 亿年前,一场惊天动地的 “大爆炸” 孕育了宇宙,从此开启了它漫长而神秘的演化之旅。从古至今,人类仰望星空时,总会被宇宙的起源、发展等终极问题所吸引。如今,詹姆斯・韦布太空望远镜(JWST)如同一位卓越的宇宙考古学家,带我们穿越浩瀚时空,直击宇宙 “婴儿期” 的模样,解开了一个个困扰科学界多年的谜团。

宇宙诞生初期,经历了一段 “黑暗时代”。在大爆炸后的最初几亿年里,宇宙逐渐冷却,却一片漆黑,没有任何恒星或星系点亮这片广袤空间。直到大爆炸约 4 亿年后,第一批恒星和星系才开始形成,为宇宙带来 “黎明”。这些早期星系与现在的成熟星系大不相同,它们体积小、结构紧密且活动剧烈,其中类星体尤为引人注目。类星体由星系中心的超大质量黑洞驱动,当黑洞吞噬周围物质时,释放的能量使其亮度超越整个宿主星系所有恒星的总和,宛如宇宙中的 “探照灯”。
然而,一个巨大的谜团摆在科学家面前:在宇宙年龄不足 10 亿年的 “婴儿期”,就已存在质量庞大、结构相对成熟的星系,以及质量达太阳数十亿倍的超级黑洞。这些宇宙 “巨婴” 是如何在短暂时间内迅速形成的?更令人费解的是,黑洞与宿主星系虽物理尺度差异极大,却存在紧密关联 —— 黑洞质量越大,宿主星系中恒星的总质量通常也越大,这种同步机制成了宇宙学中的深奥谜题,而解开它的关键在于探究宇宙极早期是否已存在这种关联。
詹姆斯・韦布太空望远镜的出现为破解这些谜题提供了强大助力。它于 2021 年发射升空,主要观测红外波段,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% 时的景象。2023 年,由武汉大学和北京大学天文学家联合领导的国际团队,利用 JWST 的高灵敏度近红外相机,成功探测到两颗距离地球超过 130 亿光年的类星体宿主星系,并将星系中心明亮的类星体与周围暗淡的宿主星系光芒分离开来,其难度堪比在探照灯光旁寻找萤火虫。
测量结果令人震惊:其中一个宿主星系质量约 1300 亿倍太阳质量,另一个约 340 亿倍太阳质量,它们中心的黑洞质量分别为 14 亿和 2 亿倍太阳质量。更关键的是,这些黑洞质量与宿主星系恒星质量的比例关系,与现代宇宙中观测到的规律惊人相似。这强烈暗示,黑洞与宿主星系的共同演化关系在宇宙极早期就已建立,彻底挑战了科学家对宇宙结构成长速度的传统认知。
团队后续利用 JWST 的高分辨率光谱仪,进一步剖析了这两个类星体宿主星系的恒星组成。分析发现,星系中的大部分恒星形成于宇宙更早期,且经历过剧烈的 “星暴” 事件,恒星形成速率曾飙升至每年约 2000 倍太阳质量,是银河系当前恒星形成率的数千倍。但它们的 “高速成长期” 异常短暂,很快便因气体燃料耗尽进入 “后星暴” 阶段,大规模 “造星工厂” 基本 “关停”。
科学家认为,是星系中心黑洞的强大反馈作用给恒星诞生踩了 “急刹车”。当黑洞吞噬物质时,释放的巨大能量形成强烈辐射喷流和宇宙风,将孕育新恒星的冷气体燃料加热、驱散甚至吹出星系,导致恒星形成戛然而止。这呈现出一幅精妙的 “自我调节” 图景:黑洞在壮大自身的同时,抑制了宿主星系的进一步扩张,两者在互动中趋于动态平衡,共同演化。
JWST 的发现更新了我们对星系演化的认知,宇宙婴儿期并非缓慢生长,而是像按下 “快进键”,在极短时间内完成了庞大星系和超级黑洞的 “组装”。但仍有诸多谜题待解,如驱动早期宇宙 “快进” 的超级黑洞 “种子” 如何形成、黑洞反馈作用如何精确调控星系命运等。研究团队将继续深耕,期待未来对更多宇宙 “婴儿期” 的类星体及其宿主星系进行深度剖析。
探索宇宙 “婴儿期” 意义重大,它不仅能帮助我们揭示宇宙的起源和发展规律,了解宇宙结构的形成过程,还推动了先进天文观测技术的发展。更重要的是,这满足了人类对宇宙和自身起源的好奇心,加深了我们对地球和人类在宇宙中位置的认知,激励着科学进步和文明发展。