韦布望远镜发现巨大宇宙结构，颠覆我们对宇宙的认知

由加州理工学院天体物理与行星科学数据中心IPAC研究人员主导的三项近期研究，聚焦于星系团XLSSC 122。研究发现，这个星系团是迄今已知最遥远、表现出强引力透镜效应的星系团，使天文学家能够测量原本看不见的物质质量。相关成果于2026年6月17日在美国天文学会第248次会议记者会上公布。XLSSC 122距离地球约104亿光年，其令人惊讶之处在于成熟得较早：它存在于星系团仍正在形成的时期，却已经呈现出通常只在现代宇宙星系团中才看到的尺度和有序结构。詹姆斯·韦伯太空望远镜进一步揭示了它的另一项重要特征：XLSSC 122恰好位于一个或多个更远星系的前方，其强大引力会弯曲并扭曲背景星系传来的光，形成罕见的强引力透镜。这一难得的排列让科学家能以极高精度测量质量在星系团内部的分布。IPAC职员科学家、首篇论文第一作者Kyle Finner表示，韦伯首批图像让他们看到来自该星系团的强透镜弧，XLSSC 122因此创下已知最遥远强引力透镜星系团纪录。新探测到的引力透镜使研究者能以前所未有的细节检验一个古老星系团的质量分布。XLSSC 122形成于被称为“宇宙正午”的时期，大约100亿年前，当时宇宙处于恒星形成最旺盛的阶段。彼时恒星形成率可比今天高约100倍，星系团也随着较小系统合并而变得越发常见。然而XLSSC 122似乎以出乎意料的方式演化。新测量显示，它相当大一部分质量集中在中心区域。根据标准宇宙学模型，大质量结构的增长本应更缓慢，因此在如此早期就出现如此集中的星系团令人惊讶。为解开谜题，Finner及其合作者又开展两项韦伯研究，分别由延世大学的Zachary Scofield和Hyungjin Joo担任第一作者。三篇论文共同勾勒出这个不寻常星系团更完整的图景，也为宇宙正午时期星系团形成提供新线索。XLSSC 122最初由欧洲空间局XMM-Newton X射线巡天在2014年识别；哈勃太空望远镜后续观测确定其距离约104亿光年，并显示它对于年龄而言异常成熟。但哈勃没有清楚揭示强引力透镜证据。韦伯捕捉到星系团中心周围明显弯曲的光弧，首次确认该现象。Finner表示，在韦伯之前，早期遥远宇宙无法做到这种科学。这些引力扭曲主要由暗物质造成。虽然星系团中有可见恒星和发光气体，但它们只贡献强透镜效应的一小部分，大部分扭曲来自暗物质。暗物质不能通过光直接探测，但其引力影响有广泛证据支持。科学家估计，暗物质丰度约为普通物质的五倍；普通物质构成恒星、行星和我们周围事物。暗物质的引力帮助维持星系，并塑造星系群、星系团和宇宙大尺度纤维网络。由于暗物质对宇宙结构至关重要，测量它在数十亿年前的分布，可检验自约138亿年前大爆炸以来宇宙演化理论。Finner称，强透镜是在看不见暗物质的情况下测量暗物质，是对宇宙学模型的灵敏探针。第二篇论文研究另一种引力透镜：弱引力透镜。强透镜产生明显扭曲和弧，弱透镜则只让遥远星系形状发生微小变化，难以单独识别，需要统计方法。两者互补：强透镜更适合测量星系团中心附近集中质量，弱透镜可揭示外层区域物质分布。Finner说，弱透镜可约束更外围质量，更好描绘星系团周边环境。结合其他望远镜X射线和射电观测，科学家确定XLSSC 122仍处于并合过程中，星系继续聚集，更大星系团正在成形。更大范围分析也再次印证中心质量异常集中。第三篇论文揭示另一个特征：来自不再属于单个星系的恒星的微弱光，即簇内光。这种弥散光辉来自被抛散在星系之间空间的恒星。韦伯观测实现已知最早的簇内光探测，为研究遥远宇宙星系团发展提供新途径。簇内光的广泛分布支持XLSSC 122正在并合的结论：当星系相互作用和碰撞时，一些恒星被从原星系拉走，散布到整个星系团。在XLSSC 122中，许多被移位恒星似乎并未沉入高密度中心。研究者还发现这些流浪恒星与暗物质之间有趣联系：在星系团中心附近，簇内光的形状与强引力透镜推断出的暗物质分布高度吻合。这表明星系之间的恒星微光可能成为显示不可见暗物质集中位置的可见指标。如果天文学家在其他星系团，尤其是早期宇宙星系团中观察到同样关系，簇内光可成为描绘暗物质跨宇宙历史分布的新工具。Finner说，在这个星系团中，簇内光基本上描绘暗物质，也表明星系团处于并合状态。下一步，Finner和同事计划寻找并研究数十个来自宇宙更早期阶段的星系团。发现这些遥远目标与详细研究它们需要不同方法。韦伯虽然强大，但视野较窄，更适合研究选定目标，而不适合搜索大片天空。天文学家需先通过大面积X射线和射电巡天找出候选者，类似最初发现XLSSC 122的观测。一项有前景的技术依赖Sunyaev-Zel'dovich效应：星系团内高能粒子散射宇宙微波背景辐射，也就是大爆炸微弱余晖时，可形成在微波背景观测中看似空洞的独特区域。搜寻这些特征可帮助定位难以探测的星系团。若能发现更多类似XLSSC 122的天体，将对宇宙学有重大影响。如果其他古老星系团也含有异常集中的暗物质并表现异常成熟，科学家可能需要修正关于大尺度宇宙结构形成速度的基本假设。目前XLSSC 122是对现有模型的重要检验，但更大样本才能判断其异常是罕见还是早期宇宙更广泛规律。Finner表示，韦伯时代仍处早期；如果能获得这一宇宙阶段数十或数百个此类天体数据，就能真正开始检验宇宙学模型。