有史以来最大的宇宙地图揭示出比预期数量多十倍的早期星系

"我们的目标是将这片深空区域构建在一个物理尺度上，远超以往任何尝试，" 加州大学圣巴巴拉分校物理教授、COSMOS-Web合作项目的联合负责人凯特琳·凯西（Caitlin Casey）说，另一位联合负责人是罗切斯特理工学院的杰汉·卡塔尔特佩（Jeyhan Kartaltepe）。"如果你把哈勃超深空场打印在一张标准纸上，"她指着美国宇航局（NASA）2004年发布的包含近一万个星系的标志性图像说，"我们的图像在同一深度下将略大于一幅13英尺乘13英尺宽的壁画。所以它真是大得惊人。"

COSMOS-Web合成图像追溯到了大约135亿年前；根据NASA的数据，宇宙的年龄约为138亿年，误差±1亿年。这涵盖了大约98%的宇宙年龄。研究人员的目标不仅是看到宇宙诞生初期一些最有趣的星系，还要看到早期宇宙中存在的更广阔的宇宙环境景象，那是在第一批恒星、星系和黑洞形成之时。

"宇宙是由密集区域和空洞组成的，"凯西解释道。"我们不仅仅想找到最遥远的星系；我们还想更广泛地了解它们所处的环境。"

一个'巨大的意外'

结果揭示了一片何其壮观的宇宙邻里。凯西说，在詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）启用之前，她和天文学家同行们根据其直径6.5米（21英尺）的光线收集主镜（大约是哈勃望远镜2.4米，即7英尺10英寸镜面的六倍大小），对这台空间望远镜能够看到的更多星系数量做出了最佳预测。她说，哈勃望远镜最精确的测量表明，在宇宙诞生前五亿年内的星系将极其罕见。

"这是有道理的——大爆炸发生了，物质需要时间在引力作用下坍缩和形成，恒星也需要时间点亮。这有一个相关的时间尺度，"凯西解释道。"而巨大的意外是，有了JWST，我们在这些令人难以置信的遥远距离上看到的星系数量比预期的要多出大约10倍。我们还看到了超大质量黑洞，这些在哈勃望远镜下甚至都看不到。" 她补充说，他们不仅看到的更多，而且看到的星系和黑洞类型也不同。

'许多未解之谜'

虽然COSMOS-Web的图像和星表解答了天文学家关于早期宇宙的许多疑问，但它们也引发了更多的问题。

"自望远镜启用以来，我们一直在想'这些JWST的数据集是否打破了宇宙学模型？因为宇宙在太早的时期就产生了过多的光；它只有大约4亿年的时间来形成像十亿倍太阳质量恒星这样的东西。我们根本不知道这是如何发生的，"凯西说。"所以，有很多细节需要剖析，还有很多未解之谜。"

将数据向公众发布，是希望世界各地的其他天文学家能够利用它，除其他事项外，进一步完善我们对早期宇宙如何形成天体以及一切如何演化至今的理解。该数据集也可能为宇宙的其他悬而未决的谜题提供线索，例如暗物质以及可能与当今所知不同的早期宇宙物理学。

"这个项目的重要组成部分是科学的民主化，使更广泛的群体能够获取来自顶级望远镜的工具和数据，"凯西说。数据在收集后几乎立即就被公开了，但只是原始数据形式，只对那些拥有专业技术知识和超级计算机访问权限以进行处理和解读的人有用。过去两年里，COSMOS合作团队不懈努力，将原始数据转化为广泛可用的图像和星表。通过创建这些产品并将其发布，研究人员希望即使是本科天文学家也能深入研究这些材料并学到新东西。

"因为最好的科学成果确实是在每个人以不同方式思考同一数据集时取得的，"凯西说。"破解这些奥秘并非只由一个群体来完成。"

对于COSMOS合作团队而言，探索仍在继续。他们已经重返这片深空区域，进一步测绘和研究它。

"我们还有更多的数据采集要进行，"她说。"我们认为我们已经识别出了图像中最早的星系，但我们需要验证这一点。" 为此，他们将使用光谱学——将来自星系的光分解成光谱——以确认这些源的距离（更遥远=更古老）。"作为副产品，"凯西补充道，"我们将通过追踪氮、碳和氧来了解这些系统中的星际化学。还有很多东西有待学习，我们才刚刚触及皮毛。"

COSMOS-Web图像可供互动浏览；相关的科学论文已提交至《天体物理学杂志》和《天文学与天体物理学》。