[비즈한국] 我們到底能看到多遙遠的宇宙？在宇宙中，距離遠意味著時間久遠，這被稱為“回望時間”（Lookback time）效應。看得越遠，就越接近大爆炸後宇宙還是一片混沌、空無一物的原始黑暗。為了觀測宇宙誕生的瞬間，望遠鏡不斷地指向更深邃的遠方。當然，無論如何努力，過去觀測到的基本都是大爆炸後宇宙年齡至少在10億年之後的狀態。
然而，最近天文學家在詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（JWST）的資料中發現了一個紅移值高達32的星系。如果該資料準確，那麼這個星系展現的是宇宙年齡僅為9000萬年時的樣子。這僅僅是當前宇宙年齡的0.6%！如果這是真的，我們確實捕捉到了宇宙誕生的黎明瞬間。目前，天文學家尚不清楚這個星系的真實身份究竟是什麼。
在此次發現之前，詹姆斯·韋伯捕捉到的最遙遠星系是MoM-z14。今年4月，詹姆斯·韋伯捕捉到了來自該遙遠星系的微弱光芒，其紅移值約為14.44。那束光來自宇宙誕生後僅2.8億年的時候。作為一個生活在早期宇宙的原始星系，它的體積非常小，只有240光年，不是24萬光年，而是240光年。其質量約為太陽質量的1000萬倍，相當於圍繞銀河系執行的小麥哲倫星系的大小。
但這並不意味著可以小覷它。這些微小的原始星系確實在宇宙非常年輕時就已存在。換句話說，這表明在宇宙誕生後不久，就已經形成了相當多的星系。隨著詹姆斯·韋伯投入使用，天文學家們意識到，從宇宙開端起，存在的星系數量就遠超預期。於是，他們開始從頭思考原始星系最初形成機制的問題。
長期以來，天文學家認為大爆炸後並不會立即形成恆星和星系。在宇宙開始快速膨脹後的很長一段時間裡，既沒有恆星，也沒有星系。人們認為至少需要4億年左右，物質才會逐漸聚集，恆星和星系才開始顯現。科學家曾認為，在大爆炸後2億年，第一批恆星才誕生；4億年後，才形成了可以被稱為“星系”的結構。也就是在“宇宙黎明”結束後，恆星與星系的時代才正式拉開序幕。
但最近，詹姆斯·韋伯接連提供了證據，表明在“黎明”之前恆星和星系就已經存在了。這提出了一個令人震驚的可能性：宇宙可能比我們想象的更早之前就是一個相當成熟的世界。正是在這種背景下，此次又發現了紅移值為32的星系。
這是過去認為根本無法觀測到的水平。天文學家在深入分析詹姆斯·韋伯捕捉到的微弱光譜後，確認其紅移值極有可能高達32。這比此前的紀錄保持者MoM-z14還要早2億年。難道在宇宙僅9000萬歲時，就已經有星系存在了嗎？這個原始星系被賦予了一個綽號“Capotauro”，取名自義大利的一座山峰。
Capotauro是透過詹姆斯·韋伯的NIRcam，在F115W到F444W之間的紅外波段，利用七種濾鏡進行拍攝的。其中，只有在波長最長的F444W和F410M波段才能看到該天體。在波長較短的F356W及以下濾鏡中完全看不到。這意味著它經歷了極其嚴重的紅移，導致波長被拉得非常長。這種根據波長不同而突然出現又消失的現象被稱為“漏選”（Dropout）。從詹姆斯·韋伯影象中紅外波段明顯的漏選現象來看，該天體極有可能具有極端的紅移值。如果參考波長更短的哈勃空間望遠鏡的觀測結果，在一般的可見光或近紅外波段，該天體完全不可見。
然而，由於該天體非常暗淡，光譜中的噪聲極大。在天文學中，通常會假設由各種溫度和化學成分組成的恆星集合模型，透過尋找與實際觀測到的光譜形態最吻合的模型來分析星系光譜。這時會使用BAGPIPES、ZPHOT等各種擬合演算法，但由於此次訊號過於微弱且模糊，無論使用哪種演算法，結果都充滿不確定性。
目前解釋這一觀測結果的可能性主要有兩種。首先，假設它是一個在大爆炸後初期就存在於宇宙中的極亮星系。即使實際上它位於觀測宇宙的盡頭，要能被微弱地觀測到，其真實亮度必須極其驚人。僅質量就需達到太陽質量的10億倍，但事實上，這是早期宇宙中絕對無法預期的體積。要達到如此龐大的質量，宇宙至少需要存在數億年才有可能。
如果要在宇宙僅9000萬歲時存在如此龐大的星系，那麼從宇宙誕生之初，恆星和星系的形成速度就必須極快。為了這種“爆發式增長”，實際上該星系所擁有的所有氣體物質必須以100%的效率瞬間轉化為恆星。這在當前的模型中是絕對不可能的。
根據一般的恆星演化模型，恆星終有一天會爆炸。特別是在早期宇宙，恆星更大且壽命更短，它們演化和爆炸的速度更快。這種超新星的爆炸會再次加熱周圍的星際物質，抑制隨後的恆星生成。因此，通常星系內將氣體轉化為恆星的效率維持在10%到20%左右。為了達到接近100%的極端效率，需要假設星系內誕生的恆星絕不會爆炸，這在常識上很難想象。
另一種可能性是，它可能是詹姆斯·韋伯最近不時捕捉到的“小紅點”（Little Red Dots, LRD）的極端案例。在詹姆斯·韋伯拍攝的每一張照片角落裡，似乎都潛藏著LRD，但天文學家尚不清楚它們的身份。它們可能是隱藏在宇宙深處、被厚重塵埃遮蔽的原始星系，也可能是高密度氣體殼中僅包裹著超大質量黑洞的所謂“黑洞星”（Black Hole Star），即一類完全不同的天體。但即使Capotauro是黑洞星，也無法解釋它為何在如此早期的階段就已存在。
還有另一種假設可以解釋第二種可能性。由於觀測資料中噪聲很大，光譜擬合也給出了完全不同的可能：即它是一個紅移值要小得多（約為10左右）的普通星系。它可能是一個活躍星系，位於相對較近的距離，被濃重的塵埃包圍，中心擁有一顆巨大而狂暴的黑洞。然而，這種活躍星系模型很難簡單解釋在波長極長的紅外波段突然消失的極端漏選現象。
甚至還有更平凡的可能性：它可能只是我們銀河系內近在咫尺的、在宇宙空間中漂浮的暗淡褐矮星或流浪行星被誤認了。實際上，這些在宇宙空間中漂浮的暗紅星經常偽裝成宇宙盡頭的星系。由於褐矮星或流浪行星的大氣成分，光譜在特定區間內強度會突然減弱，看起來就像出現了極端漏選一樣。如果是表面溫度僅為300K（地球溫度！）的Y型星，則可以解釋類似的光譜。這些“干擾者”是致力於尋找早期宇宙原始星系的天文學家們必須時刻留意的。
Capotauro的身份和它的光譜一樣撲朔迷離。而且它非常極端：要麼是保留了宇宙9000萬歲時最年輕、最稚嫩樣貌的早期原始星系；要麼僅僅是距離地球50光年、在近處空間漂浮的極微溫褐矮星。
為了弄清楚Capotauro究竟是星系、行星，還是流浪恆星，必須獲得更清晰的光譜。當然，由於距離遙遠且光本身微弱，要獲得有意義的光譜需要更多的觀測時間。但由於詹姆斯·韋伯極其搶手且競爭激烈，在現實中很難為了觀測遠方的一絲微光而佔用比別人更多的觀測時間。
更令人頭疼的是，由於該天體最初僅在波長極長的紅外波段隱約可見，因此哈勃空間望遠鏡等其他望遠鏡根本無法觀測到它。詹姆斯·韋伯是目前唯一能看到該天體的工具。因此，能否查明其身份，完全取決於詹姆斯·韋伯未來在該天體上投入多少觀測時間。
參考
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2025arXiv250901664G/abstract
作者Ji Ung-bae是？熱愛貓咪與宇宙。童年時看過《銀河鐵道999》後，立志傳播宇宙之美。目前擔任世宗大學自由專業學院助理教授，同時參與演講、寫作等多種科學傳播活動。著有《每天一片宇宙》、《星光璀璨的宇宙科學家們》、《無法到達但能認知》、《仰望宇宙時浮現的奇怪問題》等書，並翻譯了《給真正航行在宇宙中的搭便車者的指南》、《我是如何殺掉冥王星的》、《量子人生》、《Cosmigraphic》等作品。