韋伯看到宇宙最深處,發現大爆炸似乎沒有發生!天文學家:恐慌

隨著史上最強大的太空望遠鏡詹姆斯·韋伯空間望遠鏡(JWST)投入觀測以來,天文學家都在殷切期待新的觀測結果。這架太空望遠鏡遠在距離地球150萬公里的太空中,它可以排除地球大氣干擾,直接窺探到宇宙的最深處。

雖然光速很快,但還是有限的,如果在距離上能夠看得更遠,就能在時間上回溯得更加久遠。天文學家寄希望于韋伯太空望遠鏡能夠看到宇宙的最深處,接收到宇宙發出的第一批星光,從而研究宇宙最初是怎樣的。

在對韋伯最新的觀測數據進行分析后,結果完全出乎天文學家的意料,138億年前的宇宙大爆炸似乎沒有發生!預印文本《arXiv》刊載了一項新研究論文,標題開頭甚至寫了「恐慌!(Panic!)」。

天文學家Allison Kirkpatrick更是直呼:「現在我發現自己凌晨三點醒著躺在床上,想知道我做的一切是否都是錯的。」

那麼,韋伯究竟看到了什麼?為什麼天文學家會有這樣的反應?

過去,天文學家普遍認為宇宙是靜態的,存在了無限漫長的時間。百年前,愛因斯坦在創立廣義相對論后,用引力場方程來描述宇宙,結果發現宇宙并不穩定,所以他在方程中引入了宇宙學常數,以此來描繪一個靜態的宇宙。

但在廣義相對論誕生十多年之后,天文學家埃德溫·哈勃卻有了令人匪夷所思的發現。哈勃觀測到,宇宙中的星系大都表現出紅移,而且距離越遠的星系,紅移效應越顯著,兩者呈正相關。

根據多普勒效應,光譜出現紅移,這意味著星系在遠離銀河系,導致光的波長被拉長。而且紅移值越大,意味著星系遠離的速度也越快。于是,哈勃就得到了著名的哈勃定律:

v=H0·D

其中v是星系的退行速度,H0為哈勃常數,D為星系的距離。

哈勃定律的發現,意味著宇宙不可能是靜態的,所以愛因斯坦很快就認識到自己錯了,去掉了引力場方程中的宇宙學常數。只有宇宙膨脹能夠解釋哈勃定律,整個宇宙空間結構在不斷擴張,迫使分布于空間中的星系互相遠離。

既然空間隨著時間的推移而不斷膨脹,那麼,過去的宇宙無疑比現在小。倘若把時間回溯到遙遠過去的某個時刻,推測是距今138億年前,宇宙是無限小的狀態,那麼,這個「宇宙奇點」可以認為就是宇宙的時間和空間的起源。

一開始,宇宙中所有的物質和能量都集中在奇點,然后宇宙從大爆炸中誕生,這就是宇宙大爆炸理論。根據這一理論,宇宙最初三分鐘,合成了比例為3:1的氫和氦,其他元素幾乎沒有。

隨著宇宙的不斷膨脹冷卻,氫和氦聚集形成氣體云,它們在引力的作用下,最終坍縮成恒星、星系。在恒星的核聚變和超新星爆發、中子星碰撞等過程中,逐漸合成了包括碳、氧、氮、硅、鐵、金等更重的元素,生命的誕生才有了元素基礎。

根據宇宙大爆炸理論,星系最初形成時,個頭非常小,形狀是不規則的,處于十分原始的狀態,看起來與如今的星系是天差地別。經過數十億年的演化,星系的結構不斷發育,逐漸形成了螺旋星系、橢圓星系等結構明顯的星系。

然而,當韋伯望向宇宙最深處,試圖窺探最初宇宙的星系時,似乎看到了不該有的東西。根據另一項新研究[2],134億年前的一個編號為GHz2的星系,其直徑估計只有600光年(銀河系直徑超過10萬光年),但考慮它的光走了長達134億光年還能被看到,可以計算出它的表面亮度是宇宙中最亮星系的600倍,密度是現在星系的數萬倍。

此外,韋伯的觀測結果顯示,遙遠宇宙中的星系似乎也不是各種不規則的形狀,并且也沒有大量發生碰撞,大部分星系似乎都有平滑的星系盤和明顯的螺旋結構,正如現在我們所看到的星系那樣。

根據另一篇即將發表在《自然》(Nature)雜志的論文[3],在紅移超過10的情況下,也就是光行距離超過133億光年,星系的數量至少是理論預言的10萬倍。

也就是說,早期宇宙中似乎就已經存在大量發育完全的星系,像銀河系這樣大小的星系不在少數。在如此短的時間內,顯然來不及形成如此多如此大的星系。《大爆炸從未發生》(The Big Bang Never Happened)的作者Eric J. Lerner認為,宇宙大爆炸并沒有發生過。

對于這樣的結論,主流天文學界是無法接受的,他們認為Eric J. Lerner誤讀了這幾篇論文的研究結果。宇宙大爆炸理論目前仍是描述宇宙起源的最好理論,受到了多個獨立證據的支持。

最關鍵的一個證據,甚至我們普通人都能發現。大家是否還記得小時候看過的黑白電視機,如果沒有信號,或者轉到沒有台的頻道,電視上就會出現滿屏黑白相間的無規律「雪花」,這種雪花屏恰恰能證明宇宙大爆炸,究竟是怎麼回事呢?

宇宙一開始非常致密,溫度極高,所有物質都是處于純能量的狀態。隨著宇宙不斷膨脹,溫度持續降低,宇宙中才有條件形成物質,以及不受束縛的光子。根據推測,在宇宙誕生38萬年后,宇宙的溫度變得足夠低,光子與帶電粒子退耦合,宇宙發出了第一縷光。

經過138億年后,這些最古老的光子還在如今的宇宙中傳播。但由于空間膨脹,這些光子的能量已經大幅衰減,波長拉長,變成了微波,充滿整個宇宙。無論我們朝著哪個方向觀測宇宙的最深處,最終都會看到這些微波,這就是宇宙微波背景輻射。

這些微波可以被電視機的天線接收到,呈現出來的就是雪花屏。據估計,雪花屏的1%來自于宇宙大爆炸的第一縷光,所以我們從某種意義上看到了宇宙大爆炸。


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