JWST新图像显示异常发育良好的星系团，开启了“宇宙正午”的前沿

一个遥远的星系团，由美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）观测到。距离超过100亿光年的XLSSC 122星系团是已知最远的例子，该星系团被发现具有强引力透镜的作用，能够放大和扭曲其背后更远星系的图像。图像中心最亮的橙红色模糊天体团是星系团的中心星系。引力透镜背景星系可以被看作一系列蓝灰色弧线，围绕中心星系模糊边界延伸，尤其是在右下角。围绕如此早期且遥远星系团存在的强烈引力透镜效应，挑战了传统宇宙学模型，这些模型认为如此巨大的结构应需更长时间形成和成熟。这张图使用了四个不同的JWST滤波器数据。波长为0.9、2.0和3.56微米的光分别被分配到蓝色、绿色和红色。使用2.77微米滤镜的数据来确定图像的整体亮度。图片来源：NASA、ESA、CSA;凯尔·芬纳（加州理工/IPAC），罗伯特·赫特（加州理工/IPAC-SELab）

（神秘的地球uux.cn）据加州理工IPAC（作者：亚当·哈达齐）：一个极其集中且庞大的星系团，来自宇宙历史上尚未完全形成如此庞大结构的时期，正在挑战宇宙进化理论。在最近三篇论文中，由加州理工学院天体物理和行星科学科学与数据中心IPAC的研究人员领导的团队揭示了该星系团是星系团中强引力透镜效应最遥远的实例。

基于NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）观测的新结果，在美国天文学会第248届会议上公布。该研究成果也发表在《天体物理学杂志快报》上。

当天文学家首次看到这个被称为XLSSC 122的星系团时，他们知道自己发现了某种特殊的东西。该星系团看起来高度进化——即像近邻现代宇宙中的星系团一样庞大且有序——尽管它相距超过100亿光年，而那时其他星系群才刚刚开始汇聚。

如今，得益于JWST无与伦比的分辨率和聚光能力，研究人员发现XLSSC 122与一个或多个更遥远的星系对齐。这种偶然排列导致巨星团的引力扭曲了遥远星系的光线——一种极为罕见的现象——强引力透镜效应——从而使得对XLSSC 122进行新近精确的质量测量成为可能。

“当我们从JWST收到第一批图像时，我们说，'哇，看看这个，这个星团有强烈的透镜效应！”IPAC的工作人员科学家、第一篇研究该星团论文的第一作者凯尔·芬纳说。“XLSSC 122现已创下最远星系团中展现强透镜的纪录，这对天文学家来说是宝贵的工具。”

这张双面板图像展示了一个遥远星系团，这是NASA哈勃太空望远镜和詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）观测到的。图片来源：NASA、ESA、CSA;凯尔·芬纳（加州理工/IPAC），罗伯特·赫特（加州理工/IPAC-SELab）

这次偶然的透镜提供了迄今为止最详细的“宇宙正午”时期星系团质量分布的详细观察，该时期约为100亿年前。在这个关键形成的时代，随着宇宙达到恒星形成的巅峰，星系团开始大量形成，恒星的生成速度是现今宇宙的100倍。

与XLSSC 122一贯的破坏性声誉相符，其质量极度集中在集群中心。在宇宙历史如此早期的时期，这一特征挑战了传统宇宙学模型，这些模型记录了质量结构的构建速度远慢得多。

芬纳说：“XLSSC 122是我们已知的宇宙中最早形成的星系团之一，其质量浓度与我们的宇宙学模型预测不符。”

继他们强有力的透镜发现之后，Finner及其同事最近又发表了两篇论文，首作者为延世大学的Zachary Scofield和Hyungjin Joo，探讨了与JWST结合XLSSC 122的其他方面。他们一系列新结果使XLSSC 122成为宇宙正午星系团的开拓者。

XLSSC 122首次被发现是在2014年，当时欧洲航天局的XMM-Newton航天器进行X射线巡天。哈勃太空望远镜的后续观测帮助确定了该星系团约104亿光年的距离及其出乎意料的成熟特征。

然而，哈勃数据并未显示强透镜效应的明显迹象，在JWST图像中，强透镜表现为星团中心周围的光弧。因此，用JWST捕捉这些故事线是一个非常受欢迎的惊喜。芬纳说：“在JWST之前，我们在早期遥远宇宙中无法进行如此高水平的科学研究。”

然而，XLSSC 122可直接观测的质量——其明亮的恒星、被照亮的气体等——实际上对强烈透镜效应贡献甚微。相反，最主要的来源是暗物质——天文学家对一种看不见、鲜为人知但证据充分的物质的称呼，它能施加引力，但除此之外没有可探测的特征。估计暗物质的数量是普通物质——恒星、行星和我们的组成部分——的五倍。

暗物质是宇宙学的基石，负责将星系维系在一起，并创造宇宙的大规模结构，这些星系以群聚在一起，形成横跨空间的巨大丝状体。测量XLSSC 122中的暗物质分布是对该框架及其自138亿年前大爆炸以来结构起源描述能力的有力检验。

“强透镜是一种在不实际看到暗物质的情况下测量暗物质的方法，”芬纳说。“它让我们对宇宙模型有了敏锐的探测。”

在第二篇论文中，芬纳和同事转向了引力透镜中更微妙的版本，称为弱透镜效应。与强透镜不同，强透镜会跳出页面，弱透镜则涉及星系的轻微扭曲，这些扭曲同样由引力引起，但极其细微，以至于必须进行统计分析来揭示弱透镜的影响。

强透镜使研究团队能够称重星系团的核心，而弱透镜则能更好地覆盖更广泛的星系团，甚至延伸到其外围星系成员。芬纳说：“弱引力透镜可以将质量限制得更远，因此你可以更好地看到周围星团区域的图像。”

这一整体视角，结合来自其他望远镜套件的X射线和无线电波数据，显示XLSSC 122正在合并过程中，其组成星系仍在逐渐融合。第二项研究也证实了第一项关于XLSSC 122巨大且集中质量的研究。

在第三篇也是最新的论文中，芬纳及其同事利用JWST追踪了XLSSC所谓的星团内光，这是一种由星团中自由漂浮的恒星产生的光。这次探测——已知最早的星系团内光实例——进一步讲述了XLSSC 122的故事。

星系团内光线的广泛范围表明星系团正在经历合并，即从碰撞星系散射出来的恒星尚未稳定到星系团引力强大的核心。

有趣的是，研究人员注意到，位于中心的星系团内光形状与强引力透镜揭示的暗物质质量浓度高度吻合。如果这一结果在其他星系团，尤其是早期宇宙中发现，可能成为天文学家推测隐藏暗物质藏身之处的又一工具。

芬纳说：“在这个星系团中，星系团内的光基本上追踪暗物质。”“那道光告诉我们，星团正在合并状态。”

展望未来，芬纳和同事希望发现并研究更多超遥远星系团。

JWST不会发现此类稀有天体，因为JWST故意拥有狭窄且有针对性的视场。相反，需要通过X射线进行的广域天空巡天——比如发现XLSSC 122的那次——以及射电望远镜巡天来发现候选天体。

其中一个特别有前景的方向是Sunyaev–Zel'dovich效应，在观测大爆炸余辉时有时会出现明显的“空洞”，称为宇宙微波背景。这些空洞是由于余辉被星系团中的高能粒子散射，暴露了星系团的位置。

如果出现更多像XLSSC 122这样具有偏斜暗物质浓度和无法解释的早熟天体，那么宇宙学家可能不得不大幅重塑他们对宇宙发展的基础框架。

芬纳说：“现在还处于JWST时代的早期阶段，如果我们能在宇宙这个阶段开始获取数十甚至数百个此类天体的数据，那么我们就能真正开始检验我们的宇宙学模型。”

Kyle Finner等，JWST 宇宙正午星系团强透镜发现：XLSSC 122的巨型弧与高度集中核心，《天体物理学杂志快报》（2025年）。DOI：10.3847/2041-8213/ae1d80

Zachary P. Scofield 等人，《宇宙正午活跃星系团合并：由JWST弱透镜和多波探针揭示》，《天体物理学杂志快报》（2026年）。DOI：10.3847/2041-8213/ae447a

Hyungjin Joo 等人，《成熟但仍在成长：JWST 探测到最早的星系团内光，z∼ 2》，《天体物理学杂志快报》（2026）。DOI：10.3847/2041-8213/ae5c9f