在宇宙僅20億歲時，一條由20個星系串聯(lián)、跨越1300萬光年的巨型鏈條悄然成型，宛如宇宙的生命之藤。詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）新近發(fā)現(xiàn)這一結(jié)構(gòu)，被命名為「宇宙藤蔓」（Cosmic Vine），可能是星系團(tuán)——宇宙中最大引力結(jié)構(gòu)的種子。這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了早期宇宙的宏偉藍(lán)圖，還挑戰(zhàn)了我們對星系團(tuán)形成和星系熄火機(jī)制的傳統(tǒng)認(rèn)知，為解碼宇宙演化史提供了關(guān)鍵線索。

●從紅移中回溯宇宙時光機(jī)

這個發(fā)現(xiàn)源于對大熊座一個叫Extended Groth Strip天區(qū)的深入觀測。JWST自2022年夏天開始傳輸數(shù)據(jù)以來，就不斷顛覆我們對早期宇宙的理解。這次，由丹麥宇宙黎明中心（Cosmic Dawn Center）科學(xué)家Shuowen Jin領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊，在該區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一個延伸約400萬秒差距（pMpc，1秒差距約3.26光年）的細(xì)長結(jié)構(gòu)，寬僅20萬秒差距，卻聚集了20個光譜紅移確認(rèn)的星系，外加約200個候選成員，形成六個明顯的過密區(qū)。

為什么說這是早期宇宙？關(guān)鍵在于紅移（redshift）：光從遙遠(yuǎn)星系出發(fā)，穿越膨脹的宇宙時，波長被拉長，向電磁譜的紅色端移動。紅移值z=3.44意味著，這些光旅行了約120億年才抵達(dá)我們——相當(dāng)于窺視宇宙只有13.8億年歷史的20億歲模樣！JWST專為紅外觀測設(shè)計，正是為了捕捉這些被「拉紅」的古老光芒。團(tuán)隊估算，這個宇宙藤蔓的總質(zhì)量相當(dāng)于2600億個太陽，形狀細(xì)長且不平衡，暗示它正處于動態(tài)演化中，還沒達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（virialized，非平衡狀態(tài)下星系間引力未完全平衡）。

更形象點(diǎn)說，這就像一串葡萄藤蔓在宇宙的溫室中生長：星系們通過引力相互吸引，逐漸聚合成更大的結(jié)構(gòu)。論文作者們在《天文學(xué)與天體物理學(xué)》（Astronomy & Astrophysics）預(yù)印本中指出，這樣的巨型鏈條比以往在早期宇宙發(fā)現(xiàn)的原星系團(tuán)（proto-clusters）更大、更稀有，為研究宇宙從混沌到有序的演化提供了獨(dú)特窗口。

●兩大寧靜巨人的謎團(tuán)

▲宇宙藤蔓中最引人注目的是兩個最重的星系——A和E?！∷鼈冑|(zhì)量約10^10.9太陽質(zhì)量（相當(dāng)于上千億顆恒星），卻異常安靜：每年新形成的恒星僅相當(dāng)于半個太陽的質(zhì)量！在天文學(xué)中，這樣的星系被稱為「寧靜的」（quiescent），因?yàn)樗鼈兒谋M了制造恒星的原料——?dú)怏w和塵埃，就像一棵老樹不再開花結(jié)果。

有趣的是，這兩個巨人已有現(xiàn)代星系的特征：中央凸起主導(dǎo)形態(tài)，類似于我們銀河系的中年模樣。星系A(chǔ)位于藤蔓最密集的核心，顯示出潮汐尾巴（tidal tail，星系合并時拉出的物質(zhì)流），暗示經(jīng)歷過劇烈碰撞，導(dǎo)致短暫的星暴（starburst，爆發(fā)式恒星形成）后迅速耗盡燃料。星系E則更孤立，譜線顯示可能有活動星系核（AGN，黑洞吞噬物質(zhì)時釋放能量）跡象，但它的恒星形成速率低到令人驚訝。

這些發(fā)現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)觀點(diǎn)。過去認(rèn)為，寧靜星系主要在成熟的星系團(tuán)核心形成，通過環(huán)境淬滅（environmental quenching，如氣體剝離）停止造星。但宇宙藤蔓還遠(yuǎn)未成熟——它的核心暗物質(zhì)暈（halo，一種由暗物質(zhì)構(gòu)成的引力結(jié)構(gòu)）質(zhì)量僅約50萬億個太陽質(zhì)量，遠(yuǎn)低于典型星系團(tuán)的千萬億太陽質(zhì)量規(guī)模（10^14太陽質(zhì)量）。這表明，早期宇宙中，合并引發(fā)的星暴或活動星系核反饋就能獨(dú)立關(guān)閉星系的造星工廠，而無需等待集群完全成型。研究團(tuán)隊模擬顯示，這個結(jié)構(gòu)未來可能成長為一個質(zhì)量超10^14太陽質(zhì)量的集群，A和E很可能成為其最亮的中央星系（BCGs，星系團(tuán)中質(zhì)量最大、亮度最高的星系，通常位于星系團(tuán)核心位置，堪稱星系團(tuán)的心臟）。

●現(xiàn)實(shí)比理論更安靜

更令人興奮的是，這個發(fā)現(xiàn)戳中了宇宙模擬模型的痛點(diǎn)。研究者對比了TNG300模擬（一個大型宇宙演化模型），發(fā)現(xiàn)模擬中的早期中央星系的恒星形成速率比觀測高出一到兩個數(shù)量級！為什么？可能因?yàn)槟M低估了合并或AGN的淬滅效率，或者忽略了短暫的復(fù)興階段。論文呼吁更多高紅移樣本與專用模擬作比較，如Cluster-EAGLE，中文全稱星系團(tuán)中星系的演化與組裝，由英國杜倫大學(xué)等國際團(tuán)隊于2015年啟動，使用超級計算機(jī)追蹤宇宙中星系的形成與演化，與韋伯太空望遠(yuǎn)鏡等觀測工具互補(bǔ)，解答星系團(tuán)何時、何地、何因成熟。

就像探險家在亞馬遜發(fā)現(xiàn)新物種，新發(fā)現(xiàn)的藤蔓讓我們看到宇宙生態(tài)系統(tǒng)如何從種子成長為森林。它不僅揭示了星系團(tuán)的起源，還暗示早期宇宙比我們想象的更活躍更多樣。未來，團(tuán)隊計劃調(diào)查更多類似寧靜星系，推動我們理解13.8億年宇宙史的拼圖。JWST的紅外魔力正持續(xù)點(diǎn)亮宇宙的黑暗角落——下一個驚喜，會是什么呢？

關(guān)鍵信息索引：

Cosmic Vine: A z=3.44 large-scale structure hosting massive quiescent galaxies

“Cosmic vine” discovered by the James Webb Space Telescope