韦伯新研究揭示，银河系曾经是宇宙的麻烦制造者

银河系祖先按宇宙年龄和恒星质量分类的信息图。图片来源：uux.cn/Vivian Tan

（神秘的地球uux.cn）据今日科学新闻：自从人类仰望夜空以来，银河系既是熟悉的存在，也是深刻的谜团。我们生活在其中，却从未真正了解它的童年。这巨大的星辰螺旋是如何形成的？它是如何从早期宇宙发展成我们今天所见优雅的银河系的？这些问题是天文学的核心，近年来尤为紧迫。詹姆斯·韦伯太空望远镜的观测揭示了早期宇宙中出现的星系，这些星系看起来异常巨大且成熟，挑战了关于星系在宇宙时间中如何组合的长期观念。

在这种充满不确定性的背景下，一项新研究将望远镜转向了我们自己的宇宙家园。通过前所未有的细节重建银河系的生命故事，研究人员罕见地窥见了银河系最早的篇章，揭示了一个远比其宁静现在所暗示的动荡的过去。

由约克大学博士毕业生Vivian Tan领导的研究团队，没有试图直接观察银河系的过去，因为这是不可能的，而是采取了更具想象力的方法。他们在宇宙中寻找了877个星系，这些星系与天文学家认为银河系在不同生命阶段的样貌极为相似。这些星系被称为“银河系双胞胎”，它们的质量和性质相似，但存在于与地球的距离不同。因为光传播需要时间，远距离也意味着回溯更久远的时光。

通过研究这对遥远的双胞胎，团队实际上倒带了银河系的宇宙时钟。每个星系都成为不同时代的快照，使研究人员能够拼凑出从宇宙青年时期到更成熟时代的时间线。结果是迄今为止最详细的重建，展示了我们银河系在数十亿年间可能如何成长，从混乱的起点到结构化的成年。

这些成果发表在《天体物理学杂志》上，讲述了一个戏剧性的转变故事。

研究中的星系涵盖了宇宙历史的丰富多元。它们捕捉了从宇宙仅有15亿年历史（大约123亿年前）到达到100亿年（约35亿年前）的瞬间。这一时期宇宙年龄仅为现今的约10%，是星系从小型不规则系统迅速演化为更稳定盘状星系的关键时期。

为了窥探这段遥远的过去，研究人员结合了詹姆斯·韦伯太空望远镜和哈勃太空望远镜的数据。韦伯的观察来自加拿大NIRISS无偏簇调查（CANUCS）。该项目使用五个大质量星系团作为自然引力透镜。它们巨大的引力弯曲并放大了背景星系的光线，使得原本微弱且遥远的结构以惊人的细节清晰可见。

这种巧妙利用自然自身镜头的手法，使团队能够看到通常难以触及的特征，揭示了星系生命形成阶段的内部运作。

凭借韦伯卓越的空间分辨率，研究人员绘制了每个星系恒星质量和恒星形成活动的详细地图。这些地图不仅展示了恒星的存在位置;它们揭示了星系演化过程中，恒星已经存在的位置，以及新恒星在不同阶段正在积极形成的位置。

在所有877个银河系双胞胎中，出现了一个清晰且一致的模式。像我们这样的星系似乎是从内部向外生长的。在最早的阶段，这些星系以密集、紧凑的中心区域为主，中心区域充满了恒星。随着时间推移，它们的外围区域迅速积累质量，成为恒星形成的主要场所。这些膨胀的边缘最终形成了今天银河系特有的延伸盘状结构和螺旋结构。

“天文学家们几十年来一直在模拟银河系和其他螺旋星系的形成，”首席作者谭说。“真是太神奇了，借助JWST，我们可以测试他们的模型，绘制出银河系祖先如何随着宇宙共同生长。”

这种内向外的增长描绘出星系层层叠加的图景，最早的核心成为未来膨胀的锚点。

这项研究最引人注目的发现，或许在于银河系早期生活与其平静的现在截然不同。最年轻、最遥远的银河系双胞胎表现出极度混乱的迹象。它们的形状极为扭曲，不对称且不规则，暗示着不断的动荡。这些星系带有频繁相互作用和合并的痕迹，是碰撞频发且物质不断从各个方向被拉入的环境。

这些条件引发了强烈的恒星形成爆发，短暂但戏剧性地点亮了星系。早期银河系远非安静或有序，似乎经历了只能用动荡来形容的动荡青少年时期。

随着时间线推进，星系开始稳定。较老的银河系双胞胎结构更为平滑、稳定。它们的恒星形成变得更加均匀，主要相互作用的迹象变得罕见。这些观测综合表明，我们的银河系经历了比天文学家此前预期更为混乱的过去，随后逐渐平静下来，形成我们今天所处的结构化螺旋。

为了理解这些观测如何融入现有理论，谭和她的同事们将结果与最先进的计算机模拟进行了比较，这些模拟旨在模拟类银河系星系的演化。总体来说，模拟结果与韦伯和哈勃的揭示一致。它们能够复制整体的内向外生长模式以及早期的丛生、合并驱动的活动。

然而，这种比较也暴露了重要的空白。模拟有时难以重现最早期星系中心区域的极端紧凑性。他们也往往低估了80亿到110亿年前星系外层质量积累的速度。这些差异很重要，因为它们表明当前模型中存在缺失或不完整的物理，特别是与反馈过程、合并和盘形成的处理方式相关。

在JWST时代，这些差异已不再是小细节。它们是引导天文学家制定更准确星系演化理论的关键线索。

这项工作还凸显了加拿大在JWST星系研究中日益增长的角色。NIRISS仪器由加拿大航天局和多个研究机构合作开发，为本研究提供了关键数据。作为回报，加拿大天文学家获得了保证的观测时间，使得像这样的项目得以实现。

据合著者亚当·马津介绍，这段旅程远未结束。“这项研究是理解我们银河系形成最早期阶段的重要一步，”他说。“不过，这还不是我们推得最深的望远镜。未来几年，借助JWST和引力透镜技术的结合，我们可以从观察银河系双胞胎的10%年龄，发展到仅3%的实际形成阶段。”

未来的观测将扩大这些努力，研究更多类似银河系的样本，并探索气体、尘埃和内部运动等额外特征。已有多个国际团队安排了观测，预示着对银河起源的快速深入理解。

理解银河系的形成不仅仅是一场宇宙怀旧的练习。我们的银河系是造就太阳、地球，最终生命本身成为可能的环境。通过揭示其历史，天文学家们也在了解像我们这样的星系有多常见或多么特殊，以及恒星和行星在宇宙中形成的条件。

这项研究表明，银河系并非在寂静的孤立中诞生，而是被暴力、碰撞和快速变化塑造。它揭示了稳定性是星系随着时间积累而来的，而不是一开始就拥有的。通过追踪这一转变，科学家们能够深入了解星系何时进入盘状结构、湍流阶段持续多久，以及驱动这些转变的物理过程。

最终，这项研究做了一件深刻的人性化事迹。它将银河从静态背景变成了一个活生生的故事，一个始于混乱，最终走向秩序的故事。通过阅读这段跨越数十亿年、数百个星系的故事，我们更接近理解自己在宇宙中的位置。

更多信息：Vivian Yun Yan Tan 等人，《解析银河系前驱在 z = 5 后，质量组装与恒星形成》，摘自 JWST/CANUCS：《从团块与合并到有序盘》，《天体物理学杂志》（2025）。DOI：10.3847/1538-4357/ae0ffe