随着史上最强大的太空望远镜詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）投入观测以来，天文学家都在殷切期待新的观测结果。这架太空望远镜远在距离地球150万公里的太空中，它可以排除地球大气干扰，直接窥探到宇宙的最深处。

虽然光速很快，但还是有限的，如果在距离上能够看得更远，就能在时间上回溯得更加久远。天文学家寄希望于韦伯太空望远镜能够看到宇宙的最深处，接收到宇宙发出的第一批星光，从而研究宇宙最初是怎样的。

在对韦伯最新的观测数据进行分析后，结果完全出乎天文学家的意料，138亿年前的宇宙大爆炸似乎没有发生！预印文本《arXiv》刊载了一项新研究论文[1]，标题开头甚至写了“恐慌！（Panic!）”。

天文学家Allison Kirkpatrick更是直呼：“现在我发现自己凌晨三点醒着躺在床上，想知道我做的一切是否都是错的。”

那么，韦伯究竟看到了什么？为什么天文学家会有这样的反应？

过去，天文学家普遍认为宇宙是静态的，存在了无限漫长的时间。百年前，爱因斯坦在创立广义相对论后，用引力场方程来描述宇宙，结果发现宇宙并不稳定，所以他在方程中引入了宇宙学常数，以此来描绘一个静态的宇宙。

但在广义相对论诞生十多年之后，天文学家埃德温·哈勃却有了令人匪夷所思的发现。哈勃观测到，宇宙中的星系大都表现出红移，而且距离越远的星系，红移效应越显著，两者呈正相关。

根据多普勒效应，光谱出现红移，这意味着星系在远离银河系，导致光的波长被拉长。而且红移值越大，意味着星系远离的速度也越快。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为哈勃常数，D为星系的距离。

哈勃定律的发现，意味着宇宙不可能是静态的，所以爱因斯坦很快就认识到自己错了，去掉了引力场方程中的宇宙学常数。只有宇宙膨胀能够解释哈勃定律，整个宇宙空间结构在不断扩张，迫使分布于空间中的星系互相远离。

既然空间随着时间的推移而不断膨胀，那么，过去的宇宙无疑比现在小。倘若把时间回溯到遥远过去的某个时刻，推测是距今138亿年前，宇宙是无限小的状态，那么，这个“宇宙奇点”可以认为就是宇宙的时间和空间的起源。

一开始，宇宙中所有的物质和能量都集中在奇点，然后宇宙从大爆炸中诞生，这就是宇宙大爆炸理论。根据这一理论，宇宙最初三分钟，合成了比例为3:1的氢和氦，其他元素几乎没有。

随着宇宙的不断膨胀冷却，氢和氦聚集形成气体云，它们在引力的作用下，最终坍缩成恒星、星系。在恒星的核聚变和超新星爆发、中子星碰撞等过程中，逐渐合成了包括碳、氧、氮、硅、铁、金等更重的元素，生命的诞生才有了元素基础。

根据宇宙大爆炸理论，星系最初形成时，个头非常小，形状是不规则的，处于十分原始的状态，看起来与如今的星系是天差地别。经过数十亿年的演化，星系的结构不断发育，逐渐形成了螺旋星系、椭圆星系等结构明显的星系。

然而，当韦伯望向宇宙最深处，试图窥探最初宇宙的星系时，似乎看到了不该有的东西。根据另一项新研究[2]，134亿年前的一个编号为GHz2的星系，其直径估计只有600光年（银河系直径超过10万光年），但考虑它的光走了长达134亿光年还能被看到，可以计算出它的表面亮度是宇宙中最亮星系的600倍，密度是现在星系的数万倍。

此外，韦伯的观测结果显示，遥远宇宙中的星系似乎也不是各种不规则的形状，并且也没有大量发生碰撞，大部分星系似乎都有平滑的星系盘和明显的螺旋结构，正如现在我们所看到的星系那样。

根据另一篇即将发表在《自然》（Nature）杂志的论文[3]，在红移超过10的情况下，也就是光行距离超过133亿光年，星系的数量至少是理论预言的10万倍。

也就是说，早期宇宙中似乎就已经存在大量发育完全的星系，像银河系这样大小的星系不在少数。在如此短的时间内，显然来不及形成如此多如此大的星系。《大爆炸从未发生》（The Big Bang Never Happened）的作者Eric J. Lerner认为，宇宙大爆炸并没有发生过。

对于这样的结论，主流天文学界是无法接受的，他们认为Eric J. Lerner误读了这几篇论文的研究结果。宇宙大爆炸理论目前仍是描述宇宙起源的最好理论，受到了多个独立证据的支持。

最关键的一个证据，甚至我们普通人都能发现。大家是否还记得小时候看过的黑白电视机，如果没有信号，或者转到没有台的频道，电视上就会出现满屏黑白相间的无规律“雪花”，这种雪花屏恰恰能证明宇宙大爆炸，究竟是怎么回事呢？

宇宙一开始非常致密，温度极高，所有物质都是处于纯能量的状态。随着宇宙不断膨胀，温度持续降低，宇宙中才有条件形成物质，以及不受束缚的光子。根据推测，在宇宙诞生38万年后，宇宙的温度变得足够低，光子与带电粒子退耦合，宇宙发出了第一缕光。

经过138亿年后，这些最古老的光子还在如今的宇宙中传播。但由于空间膨胀，这些光子的能量已经大幅衰减，波长拉长，变成了微波，充满整个宇宙。无论我们朝着哪个方向观测宇宙的最深处，最终都会看到这些微波，这就是宇宙微波背景辐射。

这些微波可以被电视机的天线接收到，呈现出来的就是雪花屏。据估计，雪花屏的1%来自于宇宙大爆炸的第一缕光，所以我们从某种意义上看到了宇宙大爆炸。

参考文献：
[1] Leonardo Ferreira, Nathan Adams, Christopher J. Conselice, et al. Panic! At the Disks: First Rest-frame Optical Observations of Galaxy Structure at z>3 with JWST in the SMACS 0723 Field, 2022, arXiv:2207.09428.
[2] Marco Castellano, Adriano Fontana, Tommaso Treu, et al. Early results from GLASS-JWST. III: Galaxy candidates at z∼9-15, 2022, arXiv:2207.09436.
[3] Ivo Labbe, Pieter van Dokkum, Erica Nelson, et al. A very early onset of massive galaxy formation, 2022, arXiv:2207.12446.

出处：微信公众号 @火星科普