在宇宙中，星系的亮度通常取决于其质量。然而，一些新的研究表明，质量较小的星系实际上可以像较大的星系一样明亮。由于不规则且剧烈的恒星形成爆发，一些较年轻的星系看起来会“虚胖”。这些新发现的细节在一项于10月3日发表在《天体物理学杂志通讯》上的研究中有所阐述。
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詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）于2022年发布的首批星系图像带来了一个小小的困惑。一些天文学家认为，这些早期星系显得过于明亮、质量过大且过于成熟，不应该在大爆炸后如此短的时间内形成，仿佛一个婴儿在短短几年内就长成了成年人。
“这些星系的发现令人非常惊讶，因为它们比预期的要明亮得多，”论文合著者、西北大学天体物理学家Claude-André Faucher-Giguère在一份声明中表示。“通常情况下，一个星系之所以明亮，是因为它很大。但由于这些星系形成于宇宙黎明时期，距离大爆炸过去的时间还很短。质量如此之大的星系怎么可能这么快就组装起来呢？我们的模拟表明，星系在宇宙黎明时形成这种亮度是没有任何问题的。”
被称为“宇宙黎明”的宇宙历史时期，大约持续在大爆炸后1亿年到10亿年之间，其标志是宇宙中第一批恒星和星系的形成。
“JWST为我们带来了关于宇宙黎明的大量知识，”论文合著者、西北大学天体物理学家孙国朝在一份声明中说。“在JWST出现之前，我们对早期宇宙的大部分知识都是基于少数几个来源的数据进行的推测。随着观测能力的巨大提升，我们可以看到星系的物理细节，并利用这些可靠的观测证据来研究物理学，从而理解正在发生的事情。”
该团队使用先进的计算机模拟来模拟大爆炸后不久星系的形成过程。这些模拟是西北大学相对论环境反馈（FIRE）项目的一部分，结合了天体物理学理论和先进算法来模拟星系的形成。这些模型帮助研究人员了解星系如何生长和改变形状，同时考虑了恒星返回的质量、能量、动量和化学元素。
“关键在于在短时间内在一个系统中产生足够多的光，”孙说。“这要么是因为系统本身质量非常大，要么是因为它有能力快速产生大量光。在后一种情况下，系统不必那么庞大。如果恒星形成是以爆发的形式进行的，它就会发出闪光。这就是为什么我们看到一些非常明亮的星系。”
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该研究中的模拟创建了与JWST观测到的星系一样明亮的星系。他们还发现，在宇宙黎明时期形成的一些早期星系可能经历了爆发式的恒星形成。这是一种称为断续恒星形成的概念，即恒星形成呈现交替的模式。它始于一次性形成大量恒星，然后是数百万年内几乎没有恒星形成，接着又是新一轮的恒星爆发。相比之下，我们的银河系的恒星形成模式则非常不同，其速率相对稳定。
根据Faucher-Giguère的说法，断续恒星形成在低质量星系中尤为普遍。然而，其发生机制的细节仍是其他研究的课题。本研究团队认为，这发生在初始恒星爆发后数百万年，恒星以超新星的形式爆炸。气体被弹出，然后又重新落回内部，形成新的恒星，从而驱动循环再次进行。
当星系变得足够大时，它们的引力会显著增强。因此，当超新星爆炸时，它们不足以将气体从星系系统中弹出，引力会将星系束缚在一起。结果是形成了更稳定的状态。
“星系中的大部分光来自质量最大的恒星，”Faucher-Giguère在声明中说。“由于质量越大的恒星燃烧速度越快，它们的寿命越短。它们在核反应中迅速耗尽燃料。因此，星系的亮度更直接地与其在过去几百万年内形成的恒星数量有关，而不是与其整体质量有关。”
