JWST发现宇宙正午时期的古老星系团，挑战宇宙学标准模型
焦点图像： JWST NIRCam拍摄的XLSSC 122图像，显示最亮星系团星系周围被引力透镜扭曲的弧线。[图片来源：Finner et al. / NASA / ESA / CSA]
詹姆斯·韦伯太空望远镜窥探了宇宙已知最古老的星系团之一，当时宇宙刚刚开始进入中年期，它的发现让天文学家重新思考宇宙中的结构形成方式。这个编号为XLSSC 122的星系团位于红移1.98处，意味着它的光传播了大约104亿年才到达地球。我们今天看到的光离开这个巨大星系集合时，宇宙只有34亿岁。
这些发现发表在《天体物理学期刊快报》的三篇配套论文中，并于6月17日在第248届美国天文学会会议上公布，揭示了一个比标准宇宙学模型预测的更为成熟和集中的星系团。通过背景星系的强引力透镜效应测定的内部100千秒差距内的中心暗物质浓度极高，与几乎所有主要质-量浓度关系存在3到8个标准偏差的偏离。
“当我们看到那些最初的图像时，我们惊呆了，”强透镜论文的第一作者、IPAC/加州理工学院的Kyle Finner说。”我们说’哇，看这个，这个星系团有强透镜效应！’很快我们就意识到，我们看到了模型无法轻易解释的东西。”
年轻宇宙中的成熟结构
XLSSC 122最初于2014年由ESA的XMM-牛顿X射线天文台作为XMM-牛顿大尺度结构巡天的一部分发现。但正是JWST的红外灵敏度和高分辨率揭示了它的真实面貌。2024年8月10日，JWST的NIRCam仪器通过四个滤波器观测了该星系团，达到了29-30AB星等的5西格玛深度，穿透宇宙尘埃解析了星系团的精细结构。
出现的是已知最遥远的展示强引力透镜效应的星系团，四个巨大的弧系统环绕在最亮星系团星系周围，打破了此前由红移1.75处的IDCS J1426.5+3508保持的记录。
“我们从X射线数据中已经知道XLSSC 122的存在，但我们不知道它如此巨大、如此集中，”Finner说。”JWST打开了一扇新窗口。在韦伯之前，我们无法在早期遥远宇宙中进行这种水平的科学研究。”
该星系团暗物质晕的NFW浓度参数测量为c = 6.3 ± 0.5（内部100千秒差距内）。与五个标准质-量浓度关系相比，只有Prada et al. 2012预测了更高的值。其他关系低估了浓度2.8到8.2个标准偏差。
暗物质的联系
强引力透镜效应是测量暗物质最强大的工具之一，因为背景星系光的扭曲追踪了总质量分布，包括不可见的暗物质成分。
“强透镜效应是一种无需实际看到暗物质就能测量暗物质的方法，”Finner解释道。”它为我们提供了宇宙学模型的灵敏探针。”
JWST的观测通过三种独立方法探测了该星系团：背景星系的强引力透镜效应测量核心质量分布；更遥远星系的弱引力透镜效应追踪外部晕；以及星系团内光的探测——不受任何单个星系束缚的自由漂浮恒星，其形状追踪暗物质分布。
由Hyungjin Joo领导的一篇配套论文报告的星系团内光探测是有史以来最早的此类探测。它揭示了该星系团正在经历主动合并，通过弱透镜分析以及X射线和射电数据独立确认，进一步增加了情况的复杂性。
不仅是星系团，更是基础物理的检验
这一发现的影响超越了星系团天体物理学。如果JWST继续在早期宇宙中发现类似成熟的星系团，标准ΛCDM层级结构形成模型（其中大质量结构随宇宙时间缓慢聚积）可能需要进行重大修正。
一种可能性是XLSSC 122在异常早期的坍缩中形成，与其静止星系群中已经观察到的加速尺寸演化一致。另一种可能性是，我们对暗物质在密集环境中行为的理解不完整。第三种未被数据排除的可能性是，非标准宇宙学在起作用。
“JWST时代还处于早期，”Finner说。”如果我们能够开始获取宇宙这一阶段的数十或数百个这类天体的数据，那么我们就可以真正开始检验我们的宇宙学模型了。”
三篇配套论文发表在《天体物理学期刊快报》上。JWST成像数据已在Zenodo上公开。
婷 翻译