早期宇宙中的隐藏质量：詹姆斯·韦伯空间望远镜对恒星诞生的观测如何挑战宇宙学
来自James Webb Space Telescope (JWST) 的新观测结果已经在早期宇宙中发现了大质量星系，这些星系的演化速度似乎远快于当前宇宙学模型的允许范围。通过分析“初始质量函数”（IMF）——即恒星诞生时质量的数学分布——研究人员发现，这些遥远的结构含有过剩的低质量恒星。这一发现表明，这些星系的质量最高可达此前估计值的四倍，这暗示早期宇宙中的“隐藏质量”不仅仅是由于被遮挡的黑洞或尘埃，而是源于对恒星在极端环境下如何诞生的根本性误解。这一发现加剧了观测数据与我们关于宇宙如何成长为当前形态的理论框架之间现有的紧张关系。
早期大质量星系悖论与James Webb Space Telescope
自发射以来，James Webb Space Telescope不断通过揭示大爆炸后仅几亿年就存在的大质量、成熟星系而令天文学家感到惊讶。根据标准的 Lambda 冷暗物质 (LCDM) 模型，星系应该在数十亿年的时间里通过合并和气体的缓慢吸积逐渐积累质量。然而，在宇宙处于婴儿时期的红移处发现已经处于“静止”状态（即已完成主要恒星形成阶段）的星系，呈现出一个显著的悖论。这些“早得不可能”的星系似乎绕过了预期的宇宙演化时间表，在理应只有“宇宙幼儿”出现的时期以“巨人”姿态出现。
观测到的星系大小与当前形成模型的预测之间的这种差异，导致了许多人所谓的“宇宙学危机”。虽然一些研究人员认为，由于存在尘埃遮蔽的超大质量黑洞（通常被称为“Little Red Dots”），这些星系的质量可能被高估了，但这项新研究提出了一种不同的“隐藏质量”来源。这个问题是解决早期宇宙谜题的核心：如果这些星系确实像看起来那样巨大，甚至更加巨大，那么早期宇宙中恒星形成的效率一定比我们在本星系群中观察到的任何情况都要高得多。
解码初始质量函数：衡量恒星重量的关键
为了了解星系的质量，天文学家依赖初始质量函数 (IMF)。IMF 基本上是恒星形成事件中诞生的高质量恒星与低质量恒星的比例。从历史上看，天文学家一直假设银河系的 IMF 是普适的。在我们的银河系中，每产生一颗寿命短的大质量恒星，就会诞生数百颗像太阳一样的低质量恒星或更小的红矮星。然而，众所周知，跨越宇宙距离探测低质量恒星极其困难；它们非常暗淡，很容易被它们那些质量巨大、亮度极高的兄弟姐妹掩盖。因此，遥远星系的总质量通常是通过观察亮星的光，并根据银河系的“标准模型”推断不可见的低质量恒星数量来得出的。
“底端沉重”的初始质量函数是指偏向这些低质量恒星的恒星质量分布，在 0.1 到 0.3 倍太阳质量附近的恒星比例更高，且在低质量端的斜率更陡。这与产生更多大质量恒星的“顶端沉重”IMF 形成鲜明对比。这种区分至关重要，因为低质量恒星虽然暗淡，但随着时间的推移，它们构成了星系恒星质量的大部分。如果一个遥远星系拥有底端沉重的 IMF，这意味着存在大量“隐藏”质量，这些质量对我们看到的光贡献不大，但却显著增加了星系的引力拉力和总物质收支。
JWST-IMFERNO 项目：James Webb Space Telescope 的新标尺
为了研究 IMF 是否在宇宙时间内保持不变，包括 Alice E. Shapley、Gabriel Brammer 和 Katherine A. Suess 在内的研究团队利用了宏大的 JWST-IMFERNO 项目。该项目专注于超深度光谱学，使科学家能够看到不同恒星群体留下的微妙光谱特征。通过将这些James Webb Space Telescope的观测结果与来自 LEGA-C 巡天的深度光谱（将数据扩展到更蓝的波长）相结合，该团队分析了红移约为 z~0.7（约 70 亿年前）的九个大质量静止星系。
该方法涉及寻找星系光线中对低质量恒星存在敏感的特定吸收线。与以往依赖间接指标的研究不同，James Webb Space Telescope的高分辨率和高灵敏度实现了对局部宇宙之外 IMF 的首次稳健测量。通过对这九个星系的光线进行精细建模，研究人员能够“称量”那些通常因过于暗淡而无法单独看到的恒星的贡献，从而直接窥见遥远过去的恒星育婴室。
底端沉重的宇宙与 4 倍质量增长
这项研究的发现具有变革性。研究人员发现，这些遥远的大质量星系中低质量恒星的浓度比银河系高得多——这意味着它们拥有明显更趋向“底端沉重”的 IMF。对于样本中最古老的两个星系（它们被认为是更高红移处观察到的“早得不可能”星系的直接后裔），底端沉重的 IMF 意味着它们的恒星质量实际上比之前的估计高出三到四倍。这些结果表明，这些系统中的“隐藏质量”不是观测误差的结果，而是它们形成的一个基本特征。
这 4 倍的质量增长表明，早期宇宙中的星系形成可能比以前认为的要高效得多。这暗示气体以极快的速度转化为恒星，并且早期宇宙的热力学——或许是由更高的金属丰度或不同的辐射反馈驱动的——倾向于产生长寿命的小质量恒星。这一发现有助于回答早期宇宙中隐藏了多少质量的问题：虽然之前的理论指向尘埃遮蔽现象，但这项研究强调，很大一部分“缺失”物质只是锁定在暗淡的低质量恒星群体中。
对标准宇宙学模型的影响
这些发现显著加剧了与标准宇宙学模型的紧张关系。如果早期星系的质量已经是我们想象的三到四倍，那么解释它们如何如此迅速地聚集如此多物质的挑战就变得更加艰巨。这一发现是否证明标准模型是错误的？不一定。虽然这些发现挑战了 Lambda-CDM 框架内星系和结构形成的某些方面，但它们尚未反驳大爆炸或宇宙膨胀的核心支柱。相反，它们表明该模型需要重大改进，特别是在我们如何模拟气体、暗物质和恒星形成之间的反馈回路方面。
数据表明，我们当前的模拟缺失了关于这些星系的“底端沉重”特性如何演化的关键环节。如果 IMF 不是普适的，那么从第一批恒星到我们今天看到的星系，整个宇宙历史中的每一次质量计算都必须重新评估。“早得不可能的星系”问题不再仅仅关乎这些星系何时出现，还关乎它们将原始气体转化为庞大且致密的恒星群体的惊人效率。
绘制恒星诞生史的未来方向
JWST-IMFERNO 项目仅代表了星系考古学这一新时代的开始。James Webb Space Telescope的后续步骤将涉及绘制跨越更远距离和更多样星系类型的 IMF。研究人员旨在确定在 z~0.7 处观察到的底端沉重特性是所有大质量星系的共同特征，还是仅限于那些在早期宇宙最过度稠密区域形成的星系。通过挑战光谱学的极限，天文学家希望找到 IMF 从第一代大质量、无金属恒星向我们今天看到的多种恒星群体转变的“转折点”。
随着科学界消化这些结果，重点将转向更新宇宙学模拟，以考虑到这些大质量、高效的早期恒星形成体。James Webb Space Telescope揭示的“隐藏质量”提醒我们，宇宙在其最基本的基石——恒星本身——中仍隐藏着秘密。了解这些恒星的出生体重不仅仅是恒星物理学的一项练习；它也是揭示我们宇宙真实传记的关键一步。
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