想像一下，當你在晴朗的夜晚仰望星空，那些閃爍的點點星光，絕大多數是我們銀河系內的恆星。然而，在這些恆星之外，宇宙中還存在著無數由數千億顆甚至數兆顆恆星、氣體、塵埃以及神祕的暗物質所組成的巨大「宇宙島嶼」——這就是我們所稱的星系。每個星系都像是一個獨立的宇宙城市，擁有自己獨特的形狀、大小和生命故事，從優雅的螺旋星系到橢圓星系，再到不規則星系，它們在宇宙中各自演繹著壯麗的篇章。而詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST），這雙人類送往太空的「黃金之眼」，憑藉其無與倫比的紅外線觀測能力，能夠穿透宇宙中的塵埃，捕捉到那些遙遠而微弱的光線，這些光線承載著宇宙早期星系形成與演化的關鍵訊息。特別是在過去一年中，韋伯望遠鏡所取得的一系列觀測成果，正以前所未有的細緻度，逐步揭開星系生命週期的奧秘，並挑戰著我們對宇宙演化既有的認知。

時間之窗：韋伯發現的早期星系之謎
韋伯望遠鏡最驚人的表現之一，莫過於發現一個又一個早期宇宙中的星系。在過去的短短兩年間，憑藉其無與倫比的紅外靈敏度，韋伯幾乎每隔幾個月就能刷新「最遙遠星系」的紀錄。目前，已知最遙遠的星系存在於距離宇宙大爆炸僅約2.8億年。這道跨越了 135 億年才到達地球的光線，宛如一扇時間之窗，讓我們得以一窺宇宙初期星系的真實面貌。這些早期星系的存在及其物理特性，對現有的星系形成理論構成了重大挑戰。根據傳統的宇宙學和星系形成理論模型，在宇宙如此年輕的時期，由於可供形成星系的物質還未充分聚集，星系應該是相對較小且黯淡的。然而，韋伯望遠鏡觀測到的這些早期星系卻異常明亮且質量龐大，顯示出它們的成長速度遠超預期。這種驚人的快速演化，暗示著在宇宙的「黎明」時分，恆星形成的效率可能比我們想像的要高得多。這意味著當時的氣體雲崩塌形成恆星的過程可能更為迅速且規模更大。這些星系快速演化的特性，也引發了天文學家對於宇宙初期化學演化進程的重新思考。部分研究甚至大膽提出，這些大而明亮的早期星系的存在，正強烈挑戰著主流的暗物質理論標準模型。如果標準模型無法解釋這些星系系的存在，那麼我們可能需要重新審視暗物質的性質，或是調整早期宇宙的物理參數。這無疑將對我們對於宇宙起源和演化的基本理解帶來顛覆性的影響，迫使科學家們重新繪製宇宙從大爆炸到今天的演化藍圖。

圖一：目前已知最遙遠的星系。Credit: Rohan P. Naidu

 

解讀星系的指紋：看見早期星系的重元素痕跡
除了發現這些早期星系的存在，更重要的是，韋伯望遠鏡取得的星系光譜就像宇宙的指紋，讓我們得以以前所未有的詳細程度探究這些早期天體的物理化學性質。根據傳統的星系形成理論，早期宇宙主要由大爆炸遺留下來的氫和氦這兩種輕元素組成。重元素（天文學上指所有比氦重的元素，如碳、氧、氮、鐵等）都是在恆星中心的核融合反應中產生。這些重元素必須等到恆星生命結束，透過超新星爆發等劇烈事件，才被釋放到星際介質中，隨後才能參與形成下一代的恆星。因此，天文學家們普遍認為，在宇宙大爆炸後不久形成的極早期星系中，由於它們尚未經歷足夠的恆星世代更迭，重元素的豐度應該會非常低。然而，韋伯望遠鏡卻提供了令人意外的觀測結果：透過對一些極早期星系光譜的分析，天文學家偵測到了比預期更高豐度的碳、氧、氮等重元素。如圖Ｘ所示的光譜，是一個存在於宇宙年齡僅6億年時的星系。光譜中已經顯示清楚的由氧離子的能階躍遷所產生的發射線。這些重元素的快速積累，不僅暗示著早期宇宙中的第一代恆星（或稱Population III stars）可能比預期更快地經歷了生命週期。如果這些極早期恆星的質量極大，它們的壽命將非常短暫，可能在數百萬年內就以超新星的形式結束生命，並將其內部合成的重元素迅速散佈到星際介質中，為後續恆星和星系的行程提供更豐富的重元素原料。

圖二：韋伯望遠鏡觀測一個存在於距大爆炸僅6億年的早期星系。光譜顯示這個星系中的氣體已含有氧離子和氖離子。這些元素不存在於初始宇宙中，是在恆星中心透過一連串的核融合反應製造出來，並在恆星死亡時觸發的超新星爆炸中被散佈到星際介質中。在早期星系中偵測到這些元素顯示著早期宇宙中的恆星很有效率地製造重元素，並將它們散佈出去。Credit:NASA, ESA, CSA, STScI

 

超大質量黑洞的誕生與影響
韋伯望遠鏡也正以前所未有的深度探索宇宙中最極端的現象之一：遙遠的類星體(quasar)及其中心的超大質量黑洞。這些天體是早期宇宙中能量最充沛、亮度最高的物體，它們的光芒穿越了宇宙的膨脹，為我們理解黑洞的早期生長、星系的形成以及宇宙再電離提供了關鍵線索。韋伯望遠鏡發現了許多早期宇宙中的超大質量黑洞。科學家們難以解釋這些黑洞如何在宇宙大爆炸後僅數億年就達到數百萬甚至數十億太陽質量。理論模型預測，黑洞的成長應受到其自身輻射壓力的限制，即所謂的「愛丁頓極限」(Eddington Limit)。然而韋伯的觀測數據暗示早期黑洞可能以超越傳統理論預期的速度吞噬物質，其吸積速率需要超過光輻射壓力所限制的上限。宇宙早期可能存在著某種我們尚未完全理解的機制，能加速這些巨獸的形成。或許在黑洞周遭有更高密度的氣體環境、更有效的氣體輸送機制，一切都還有待科學家進一步釐清。
除了自身的快速成長，這些超大質量黑洞在吸積物質的過程中，會以驚人的能量向外噴射出強烈的輻射和物質流，形成所謂的「噴流」。這種現象被稱為活躍星系核(Active Galactic Nucleus, AGN)。韋伯的紅外光譜儀在探測這些能量如何與周圍的氣體和塵埃相互作用方面展現了無與倫比的能力。觀測結果顯示，這些來自黑洞吸積過程的巨大能量輸出能夠將大量的氣體從星系中推出。這對星系來說，就像是清除了恆星形成的原材料，從而抑制恆星的形成。這種回饋機制對於塑造早期星系的規模、形狀和恆星形成歷史至關重要。韋伯的觀測為我們提供了迄今為止最清晰的圖像，展示了黑洞與其宿主星系之間複雜而動態的共演化關係。
與此同時，韋伯望遠鏡也發現了其中一部分的早期星系在宇宙大爆炸後不久就停止了恆星形成活動，形成了所謂的「寂靜星系」。其形成時間之早，遠超出了現有理論模型的預測，迫使科學家重新審視導致恆星停止形成的物理機制。韋伯望遠鏡對這些星系的觀測進一步顯示，這些寂靜星系可能在不久之前以驚人的速度排空星系內部的氣體，因此才不再有新的恆星形成。而這些強大的氣體噴流的能量來源，極有可能就是星系中心的超大質量黑洞。這再次印證了活躍星系核在星系演化中扮演的關鍵角色。

早期宇宙的巨型盤：星系成長新謎團
此外，韋伯望遠鏡還在早期宇宙中發現了質量龐大且擁有完整雙旋臂結構的大型盤狀星系。例如被暱稱為「Big Wheel」的星系（圖三），處於大爆炸後僅約14億年。儘管處於宇宙相對年輕的時期，但它的規模卻令人咋舌—它的直徑已與我們當前的銀河系大小相似，且同樣擁有一個穩定旋轉的盤面以及清晰可見的旋臂結構。更令人驚訝的是，這個星系中恆星總質量估計約是銀河系的五倍，而且它還在以銀河系數百倍的速率生成新的恆星！這種極高的恆星形成活動使其成為早期宇宙中一個異常明亮的星系。以往的星系形成理論普遍認為，像Big Wheel這樣的大型、結構穩定且擁有完整旋臂的盤狀星系，通常需要更長的時間，透過許多小型星系的頻繁合併才能逐步成長並穩定下來。這些合併過程被認為會攪動星系，使其在早期呈現不規則或破碎的形態，而形成清晰的旋臂結構則需要時間讓星系盤面「平靜」下來。然而，「大輪」星系在宇宙如此年輕的階段就已具備成熟且穩定的盤狀結構，這暗示著宇宙早期的環境條件，可能比我們想像的更利於大型結構的快速形成。這項發現促使天文學家必須重新思考早期宇宙中氣體吸積及冷卻，盤狀結構的穩定性，以及星系合併頻率等關鍵參數。

圖三：被暱稱為「Big Wheel」的早期大型盤狀星系。由於距離我們相當遙遠，這個星系發出的光紅位移至紅外光波段。能在這個波段觀測的望遠鏡們，只有韋伯望遠鏡才同時有足夠的靈敏度和角解析度可以把星系的結構和動力學性質精確地刻畫出來。目前的星系演化理論還沒有辦法很好地解釋這個像銀河系一樣有著清楚旋臂結構和穩定旋轉的大型盤狀星系是如何在這麼早期的宇宙就生成。Credit: Safiy14, CC0, via Wikimedia Commons

星光與塵埃：透視恆星的誕生及星系核心的活躍景象
韋伯望遠鏡的能力不只是能「看得遠」，它還能看得更清楚。它極高的紅外光靈敏度和空間解析度能直接探測恆星誕生的核心區域，這是過去的望遠鏡難以企及的。新的恆星在緻密的氣體和塵埃雲中誕生，使得光學望遠鏡難以窺見深藏在深處的恆星形成區域。相較之下，韋伯望遠鏡所觀測的近紅外光能夠穿透厚厚的塵埃雲，直接告訴我們年輕恆星的確切位置。此外，韋伯望遠鏡還能偵測中紅外光。這些波長更長的光線來自於年輕恆星周遭被加熱的塵埃雲。當這些塵埃被新生恆星ㄉ的強烈輻射加熱後，便會發出明亮的中紅外光。因此，韋伯望遠鏡取得的中紅外光影像直接且清晰地展示了恆星形成區域周遭塵埃雲的性質和分佈。
當我們將鄰近盤狀星系的近紅外與中紅外光的影像結合時，一幅清晰的關於恆星如何在星系中形成的景象便呈現在眼前：在中紅外光影像中那些明亮的塵埃結構內部，近紅外光影像通常會顯示出大量炙熱的、新生的年輕恆星。這直接且有力地證實了恆星誕生的過程與富含塵埃的環境之間存在著密不可分的關係。
韋伯望遠鏡所拍下的中紅外光影像還顯示了在星系的盤面上有許多巨大的空洞。這些令人注目的空洞不僅是視覺上的特徵，更標誌著新生恆星對星系內部結構的巨大影響。質量巨大、壽命短的恆星在演化早期會釋放出強烈的恆星風和輻射，最終在超新星爆發中壯麗地結束生命。這些劇烈的能量釋放會在星際介質中刻出巨大的空洞和氣泡，強勁地推開周圍的氣體和塵埃。這種被稱為「回饋作用」的過程極為關鍵—它既可以清除恆星形成的原材料，從而抑制新恆星形成，但同時，在氣泡膨脹的邊緣，被壓縮氣體反而可能因為密度增高，而觸發新一輪的恆星誕生。韋伯望遠鏡的細緻影像讓天文學家們能以前所未有的精度研究這些複雜的物理過程，從而更深入理解恆星形成和星系整體演化之間的交互作用。

圖四：盤狀星系M74。左：哈伯望遠鏡所拍攝的可見光影像。中：可見光及紅外光疊加的影像。右：韋伯望遠鏡所拍攝的近紅外及中紅外光影像。這個星系有著漂亮的旋臂結構。新形成的恆星主要分布在旋臂上。在可見光影像中的暗帶是緻密塵埃雲所在的位置。這些塵埃雲阻擋了可見光，同時被鄰近的恆星輻射加熱，在紅外光波段發出明亮的輻射。紅外光影像的左下角的巨大空洞標誌了大質量恆星死亡時所經歷的超新星爆發。其釋放出的巨大能量在星際介質中清出一個空洞，影響了星系後續的演化。Credit: ESA/Webb, NASA & CSA, J. Lee and the PHANGS-JWST Team; ESA/Hubble & NASA, R. Chandar
Acknowledgement: J. Schmidt

此外，韋伯望遠鏡正以前所未有的能力解析出鄰近星系核心區域的細微結構。這些突破性的觀測，讓我們得以更清晰地了解星系中心活躍星系核和星系的交互作用。活躍星系核源於星際介質如氣體及塵埃，墜入星系中心的超大質量黑洞時所放出的巨大能量。這些能量以強烈的輻射及物質噴流的形式向外傳播，對周圍的星際介質產生巨大的影響。它們能夠改變介質的物理性質，例如加熱氣體，驅動氣體外流，甚至改變氣體的化學成分，從而直接影響星系內部的恆星形成活動。這些影響有時會抑制恆星的誕生（所謂負反饋），因為氣體被清除或加熱到無法形成恆星。有時卻可能在特定條件下觸發恆星形成（所謂正反饋），例如在氣體被壓縮的區域造成密度增高。以往的紅外望遠鏡由於解析度不足，往往難以將來自核心活躍星系核與來自周圍恆星形成區域的輻射區分開來。然而，韋伯望遠鏡極高的空間解析度大幅度地
解決了這個問題。透過同時觀測近紅外與中紅外光輻射，科學家可以詳細描繪星際介質的分佈和狀態，精確辨識出哪些區域正被活躍星系核的能量所影響，量化其反饋作用的強度和範圍，並追蹤氣體和塵埃如何在星系內部流動。這些觀測為建立更完善的星系演化模型提供了關鍵數據，幫助我們理解黑洞如何塑造其宿主星系的命運。

韋伯望遠鏡開啟星系演化新紀元
韋伯太空望遠鏡的誕生，無疑是天文學發展史上的里程碑。它以前所未有的紅外觀測能力，穿透了層層宇宙塵埃與時間的帷幕，為我們揭示了星系從誕生到演化的壯麗篇章。從不斷刷新「最遙遠星系」的紀錄，挑戰早期星系快速成長的謎團，到透過星系光譜，發現早期宇宙超出預期的重元素含量，重塑我們對宇宙化學演化進程的理解，再到精細解析超大質量黑洞與星系之間的複雜反饋作用。甚至捕捉到罕見的早期寂靜星系和大型盤狀星系中的旋臂結構。韋伯望遠鏡的每一項發現，都在持續挑戰著既有的理論模型，拓寬了我們對宇宙起源與演化的認知。它讓我們看到，宇宙遠比想像中更加活躍、複雜且充滿驚喜。韋伯望遠鏡不僅提供了令人驚嘆的宇宙影像，更重要的是，它正在提供關鍵數據，引導科學家們重新繪製宇宙從大爆炸到今天的演化藍圖。隨著更多的數據的累積與分析，韋伯望遠鏡無疑將繼續引領我們深入宇宙最深處的奧秘，開啟星系演化研究的新紀元。