南京大学天文与空间科学学院王涛教授团队联合国内外多家科研单位，在理解宇宙早期为何会出现如此多大质量星系这一难题上取得了关键突破。该成果以“JWST/MIRI reveals the true number density of massive galaxies in the early Universe”为题，于近日发表在国际权威天文期刊《The Astrophysical Journal Letters》上。

     2021年底，詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）成功发射。凭借其强大的红外观测能力，科学家们第一次能够清晰窥见宇宙大爆炸后仅数亿年的宇宙童年时期景象。随后多项研究指出，韦布望远镜在早期宇宙中发现了数量异常多的大质量星系，甚至多到超出了现有理论模型的预测。这一度被认为可能动摇现有的宇宙学模型（ΛCDM模型）和星系形成理论。

为了解决这一谜题，王涛教授团队利用韦布望远镜的中红外成像设备（MIRI），对一批遥远星系进行了更精确的质量测算。他们发现，如果没有中红外数据，早期宇宙中大质量星系的质量会被明显高估——平均约为真实值的两倍，有些甚至被高估达十倍之多（图1）。此外，中红外观测还有助于排除样本中“小红点”、褐矮星等“冒牌星系”的污染，从而更准确地统计真实的大质量星系数量。

图 1. 使用与不使用中红外观测数据时对大质量星系恒星质量测量结果的差异。在z>5的高红移处，若不使用中红外数据会系统高估星系的恒星质量。

    这一发现调和了先前观测与理论之间的矛盾：原来并不是早期宇宙真的产生了那么多“超重”星系，而是之前的样本选择和质量估计方法容易引入污染源和高估星系质量。在引入中红外数据修正之后，观测到的大质量星系数量不再偏离理论预期太远（图2），现有模型只需适当提升宇宙早期大质量暗物质晕中的恒星形成效率即可解释观测结果（图3）。

图 2. 不同红移处的星系恒星质量函数。红色圆点为主样本，蓝色倒三角为不考虑中红外数据时得到的结果，黄星为“小红点”样本对质量函数的潜在污染。

图 3. 观测到的重子转换效率随红移的演化与和模型预测结果的对比。本工作得到的早期大质量星系数目与“弱反馈星暴模型”（FFB）的预测一致，不再需要极端高效的恒星形成来解释。

   该研究基于JWST/PRIMER项目的深场影像数据，整合了超过30个波段的观测信息，通过对两个经典天区（CANDELS-COSMOS 和 CANDELS-UDS）的深度分析，系统验证了中红外数据在准确测量高红移星系质量中的不可替代的作用。这项研究为理解宇宙早期星系的形成与演化提供了关键线索，也突显了中红外波段在早期宇宙研究中的重要性。论文自预印本发布一年以来，已被国际同行引用40次，显示出广泛的影响。

该项研究由南京大学主导，合作单位包括中国科学院国家天文台、中国科学技术大学、美国麻省大学、以色列希伯来大学、清华大学、法国原子能研究所等。南京大学天文与空间科学学院王涛教授为论文的通讯作者，南京大学两位研究生孙翰文，许可和副研究员周陆文嘉博士为论文作出了重要贡献。本工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划课题、载人航天项目、U40项目等的支持。

论文链接：

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/adebe7