恒星形成的爆发解释了宇宙黎明时神秘的光亮

黄俊琼

艺术家对早期恒星暴增星系的构想。该图像是由用于这项研究的火灾模拟数据渲染而成，可以解释最近的JWST结果。恒星和星系以明亮的白色光点显示，而更扩散的暗物质和气体以紫色和红色显示。鸣谢:艾伦·m·盖勒，西北大学，CIERA + IT-RCDS

（）据西北大学：当科学家们看到詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)拍摄的宇宙早期星系的第一张照片时，他们震惊了。年轻的星系看起来太亮、太大、太成熟，不可能在大爆炸后这么快就形成。这就像一个婴儿在几年内成长为一个成年人。

这个惊人的发现甚至让一些物理学家质疑宇宙学的标准模型，怀疑它是否应该被颠覆。

使用新的模拟，西北大学领导的天体物理学家小组现在发现这些星系可能并没有那么大。尽管一个星系的亮度通常是由其质量决定的，但新的发现表明，质量较小的星系也可以在不规则、明亮的恒星形成爆发中发出同样明亮的光。

这一发现不仅解释了为什么年轻星系看起来质量惊人，也符合宇宙学的标准模型。

这项研究发表在10月3日的《天体物理学杂志快报》上。

“这些星系的发现是一个很大的惊喜，因为它们比预期的要亮得多，”该研究的高级作者西北大学的Claude-André Faucher-Giguère说。

“一般来说，星系明亮是因为它大。但是因为这些星系是在宇宙黎明时形成的，大爆炸后还没有足够的时间。这些巨大的星系是如何如此迅速地聚集在一起的？我们的模拟显示，星系在宇宙黎明前形成这种亮度没有问题。”

领导这项研究的郭超·孙补充说:“关键是要在短时间内在一个系统中再现足够的光量。”。“这可能是因为该系统非常庞大，或者是因为它有能力快速产生大量的光。在后一种情况下，系统不需要那么庞大。如果恒星的形成是以爆发的形式发生的，它会发出闪光。这就是为什么我们看到几个非常明亮的星系。”

Faucher-Giguère是西北大学温伯格文理学院物理学和天文学副教授，也是天体物理学跨学科探索和研究中心(CIERA)的成员。孙是西北大学的CIERA博士后研究员。

宇宙大爆炸后大约持续了1亿年到10亿年，宇宙黎明以宇宙中第一批恒星和星系的形成为标志。在JWST号发射到太空之前，天文学家对这个古老的时期知之甚少。

“JWST给我们带来了很多关于宇宙黎明的知识，”孙说。“在JWST之前，我们关于早期宇宙的大部分知识都是基于很少来源的数据的推测。随着观测能力的大幅提高，我们可以看到星系的物理细节，并利用这些确凿的观测证据来研究物理学，以了解正在发生的事情。”

在这项新的研究中，孙、福彻-吉古尔和他们的团队使用先进的计算机模拟来模拟宇宙大爆炸后星系的形成。模拟产生的宇宙黎明星系与JWST观测到的一样亮。这些模拟是相对论性环境反馈(FIRE)项目的一部分，该项目由Faucher-Giguère与加州理工学院、普林斯顿大学和加州大学圣地亚哥分校的合作者共同创建。

这项新研究包括来自熨斗研究所计算天体物理中心、麻省理工学院和加州大学戴维斯分校的合作者。

火灾模拟结合了天体物理学理论和高级算法来模拟星系的形成。这些模型使研究人员能够探索星系如何形成、生长和改变形状，同时考虑到从恒星返回的能量、质量、动量和化学元素。

当Sun、Faucher-Giguère和他们的团队对宇宙黎明形成的早期星系进行模拟时，他们发现恒星是以爆发形式形成的，这一概念被称为“爆发恒星形成”在像银河系这样的大质量星系中，恒星以稳定的速度形成，随着时间的推移，恒星的数量逐渐增加。但是所谓的爆发式恒星形成发生在恒星以交替模式形成的时候——一次形成许多恒星，接下来是数百万年非常少的新恒星，然后再次形成许多恒星。

“爆发式恒星形成在低质量星系中尤其常见，”福彻-吉古尔说。“为什么会发生这种情况的细节仍然是正在进行的研究的主题。但我们认为发生的是恒星爆发，然后几百万年后，这些恒星爆炸成为超新星。气体被踢出，然后回落形成新的恒星，推动恒星形成的循环。”

“但是当星系变得足够大时，它们的引力就大得多。当超新星爆发时，它们的强度不足以将气体从系统中喷出。引力将星系聚集在一起，并使其进入稳定状态。”

模拟也能够产生和JWST揭示的一样多的明亮星系。换句话说，模拟预测的亮星系数量与观测到的亮星系数量相匹配。

尽管其他天体物理学家已经假设爆发的恒星形成可能是宇宙黎明时星系不寻常亮度的原因，但西北大学的研究人员首次使用详细的计算机模拟来证明这是可能的。他们能够做到这一点，而不需要添加与我们的标准宇宙模型不一致的新因素。

“星系中的大部分光线来自最大质量的恒星，”福彻-吉古尔说。“因为质量更大的恒星燃烧速度更快，所以寿命更短。它们会在核反应中迅速耗尽燃料。因此，星系的亮度与它在过去几百万年中形成的恒星数量更直接相关，而不是整个星系的质量。”