隨著史上最強(qiáng)大的太空望遠(yuǎn)鏡詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）投入觀測(cè)以來，天文學(xué)家都在殷切期待新的觀測(cè)結(jié)果。這架太空望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)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(yuǎn)，就能在時(shí)間上回溯得更加久遠(yuǎn)。天文學(xué)家寄希望于韋伯太空望遠(yuǎn)鏡能夠看到宇宙的最深處，接收到宇宙發(fā)出的第一批星光，從而研究宇宙最初是怎樣的。

在對(duì)韋伯最新的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，結(jié)果完全出乎天文學(xué)家的意料，138億年前的宇宙大爆炸似乎沒有發(fā)生！預(yù)印文本《arXiv》刊載了一項(xiàng)新研究論文[1]，標(biāo)題開頭甚至寫了“恐慌！（Panic!）”。

天文學(xué)家Allison Kirkpatrick更是直呼：“現(xiàn)在我發(fā)現(xiàn)自己凌晨三點(diǎn)醒著躺在床上，想知道我做的一切是否都是錯(cuò)的?！?/p>

那么，韋伯究竟看到了什么？為什么天文學(xué)家會(huì)有這樣的反應(yīng)？

過去，天文學(xué)家普遍認(rèn)為宇宙是靜態(tài)的，存在了無限漫長的時(shí)間。百年前，愛因斯坦在創(chuàng)立廣義相對(duì)論后，用引力場(chǎng)方程來描述宇宙，結(jié)果發(fā)現(xiàn)宇宙并不穩(wěn)定，所以他在方程中引入了宇宙學(xué)常數(shù)，以此來描繪一個(gè)靜態(tài)的宇宙。

但在廣義相對(duì)論誕生十多年之后，天文學(xué)家埃德溫·哈勃卻有了令人匪夷所思的發(fā)現(xiàn)。哈勃觀測(cè)到，宇宙中的星系大都表現(xiàn)出紅移，而且距離越遠(yuǎn)的星系，紅移效應(yīng)越顯著，兩者呈正相關(guān)。

根據(jù)多普勒效應(yīng)，光譜出現(xiàn)紅移，這意味著星系在遠(yuǎn)離銀河系，導(dǎo)致光的波長被拉長。而且紅移值越大，意味著星系遠(yuǎn)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(shù)，D為星系的距離。

哈勃定律的發(fā)現(xiàn)，意味著宇宙不可能是靜態(tài)的，所以愛因斯坦很快就認(rèn)識(shí)到自己錯(cuò)了，去掉了引力場(chǎng)方程中的宇宙學(xué)常數(shù)。只有宇宙膨脹能夠解釋哈勃定律，整個(gè)宇宙空間結(jié)構(gòu)在不斷擴(kuò)張，迫使分布于空間中的星系互相遠(yuǎn)離。

既然空間隨著時(shí)間的推移而不斷膨脹，那么，過去的宇宙無疑比現(xiàn)在小。倘若把時(shí)間回溯到遙遠(yuǎn)過去的某個(gè)時(shí)刻，推測(cè)是距今138億年前，宇宙是無限小的狀態(tài)，那么，這個(gè)“宇宙奇點(diǎn)”可以認(rèn)為就是宇宙的時(shí)間和空間的起源。

一開始，宇宙中所有的物質(zhì)和能量都集中在奇點(diǎn)，然后宇宙從大爆炸中誕生，這就是宇宙大爆炸理論。根據(jù)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?cè)谝Φ淖饔孟?，最終坍縮成恒星、星系。在恒星的核聚變和超新星爆發(fā)、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(chǔ)。

根據(jù)宇宙大爆炸理論，星系最初形成時(shí)，個(gè)頭非常小，形狀是不規(guī)則的，處于十分原始的狀態(tài)，看起來與如今的星系是天差地別。經(jīng)過數(shù)十億年的演化，星系的結(jié)構(gòu)不斷發(fā)育，逐漸形成了螺旋星系、橢圓星系等結(jié)構(gòu)明顯的星系。

然而，當(dāng)韋伯望向宇宙最深處，試圖窺探最初宇宙的星系時(shí)，似乎看到了不該有的東西。根據(jù)另一項(xiàng)新研究[2]，134億年前的一個(gè)編號(hào)為GHz2的星系，其直徑估計(jì)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(dá)134億光年還能被看到，可以計(jì)算出它的表面亮度是宇宙中最亮星系的600倍，密度是現(xiàn)在星系的數(shù)萬倍。

此外，韋伯的觀測(cè)結(jié)果顯示，遙遠(yuǎn)宇宙中的星系似乎也不是各種不規(guī)則的形狀，并且也沒有大量發(fā)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(jié)構(gòu)，正如現(xiàn)在我們所看到的星系那樣。

根據(jù)另一篇即將發(fā)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(shù)量至少是理論預(yù)言的10萬倍。

也就是說，早期宇宙中似乎就已經(jīng)存在大量發(fā)育完全的星系，像銀河系這樣大小的星系不在少數(shù)。在如此短的時(shí)間內(nèi)，顯然來不及形成如此多如此大的星系?！洞蟊◤奈窗l(fā)生》（The Big Bang Never Happened）的作者Eric J. Lerner認(rèn)為，宇宙大爆炸并沒有發(fā)生過。

對(duì)于這樣的結(jié)論，主流天文學(xué)界是無法接受的，他們認(rèn)為Eric J. Lerner誤讀了這幾篇論文的研究結(jié)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(gè)獨(dú)立證據(jù)的支持。

最關(guān)鍵的一個(gè)證據(jù)，甚至我們普通人都能發(fā)現(xiàn)。大家是否還記得小時(shí)候看過的黑白電視機(jī)，如果沒有信號(hào)，或者轉(zhuǎn)到?jīng)]有臺(tái)的頻道，電視上就會(huì)出現(xiàn)滿屏黑白相間的無規(guī)律“雪花”，這種雪花屏恰恰能證明宇宙大爆炸，究竟是怎么回事呢？

宇宙一開始非常致密，溫度極高，所有物質(zhì)都是處于純能量的狀態(tài)。隨著宇宙不斷膨脹，溫度持續(xù)降低，宇宙中才有條件形成物質(zhì)，以及不受束縛的光子。根據(jù)推測(cè)，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(fā)出了第一縷光。

經(jīng)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(jīng)大幅衰減，波長拉長，變成了微波，充滿整個(gè)宇宙。無論我們朝著哪個(gè)方向觀測(cè)宇宙的最深處，最終都會(huì)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(jī)的天線接收到，呈現(xiàn)出來的就是雪花屏。據(jù)估計(jì)，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。

參考文獻(xiàn)

[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.