爆发的恒星可以解释为什么大爆炸后它如此明亮

在太空中，星系的亮度通常由其质量决定。然而，一些新的研究表明，质量较小的星系实际上可以发出与大星系一样明亮的光芒。由于恒星形成不规则和明亮的爆发，一些较年轻的星系看起来大得令人难以置信。这项新发现详见 10 月 3 日发表在《天体物理学杂志快报》上的一项研究。

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詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 于 2022 年发布的首批恒星图像带来了一些困惑。对于一些天文学家来说，这些年轻的星系似乎太亮、质量太大、太成熟，不可能在大爆炸后这么快就形成，就好像婴儿只用了几年就长大成人了。

“这些星系的发现令人大吃一惊，因为它们比预期的要亮得多，”研究报告合著者、西北大学天体物理学家 Claude-André Faucher-Giguère 在一份声明中表示。“通常，星系之所以明亮是因为它很大。但由于这些星系是在宇宙黎明时形成的，距离大爆炸还没有足够的时间。这些巨大的星系怎么会如此迅速地聚集起来？我们的模拟表明，星系在宇宙黎明时形成这种亮度是没有问题的。”

宇宙历史上的“宇宙黎明”时期持续了约 1 亿年至 10 亿年，其标志是宇宙中第一批恒星和星系的形成。

“詹姆斯·韦伯太空望远镜为我们带来了大量有关宇宙黎明的知识，”研究合著者、西北大学天体物理学家孙国超在一份声明中表示。“在詹姆斯·韦伯太空望远镜出现之前，我们对早期宇宙的大部分了解都是基于极少数来源的数据的推测。随着观测能力的大幅提升，我们可以看到星系的物理细节，并利用这些可靠的观测证据研究物理学，了解正在发生的事情。”

研究团队利用先进的计算机模拟技术，模拟大爆炸后星系的形成过程。作为西北大学相对论环境反馈 (FIRE) 项目的一部分，该模拟结合了天体物理理论和先进算法，模拟了星系的形成过程。这些模型可帮助研究人员了解星系的生长和形状变化，同时考虑质量、能量、动量和从恒星返回的化学元素。

“关键是要在短时间内在系统中重现足够数量的光，”孙说。“这可以发生，因为系统非常庞大，或者因为它有能力快速产生大量光。在后一种情况下，系统不需要那么庞大。如果恒星形成是爆发性的，它就会发出闪光。这就是我们看到几个非常明亮的星系的原因。”

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研究中模拟的星系与詹姆斯·韦伯太空望远镜观测到的一样明亮。他们还发现，宇宙黎明时形成的早期星系很可能有爆发式形成的恒星。这一概念称为爆发式恒星形成，恒星以交替模式形成。它始于同时形成一堆恒星，然后数百万年内几乎没有恒星，然后是另一次恒星爆发。相比之下，我们的银河系遵循着非常不同的恒星形成模式，速度稳定。

Faucher-Giguère 表示，爆发式恒星形成在低质量星系中尤为常见。然而，这种情况发生的原因仍有待其他研究。这项研究的团队认为，这种情况发生在几百万年后，最初的恒星爆发为超新星时。气体被踢出，然后落回内部形成新恒星并再次推动循环。

当星系质量足够大时，它们的引力就会显著增强。因此，当超新星爆炸时，它们的强度不足以将恒星系统中的气体喷出，引力将星系束缚在一起。结果是星系处于更稳定的状态。

“星系中的大部分光线来自质量最大的恒星，”Faucher-Giguère 在一份声明中说道。“由于质量更大的恒星燃烧速度更快，因此它们的寿命更短。它们会在核反应中迅速耗尽燃料。因此，星系的亮度与其在过去几百万年中形成的恒星数量的关系比与整个星系的质量更直接相关。”