当科学家们看到詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）首次拍摄的宇宙最早星系图像时，他们感到震惊。这些年轻的星系看起来太明亮、太大、太成熟，不可能在大爆炸后这么快就形成。这就像婴儿在几年内成长为成年人。
甚至惊人的发现导致一些物理学家质疑宇宙学的标准模型不知道它是否应该倒置。
西北大学（Flatiron Institute’s Center for计算天体物理学（CCA）和他们的同事发现，这些星系可能根本没有那么大。虽然星系的亮度通常由其质量决定，但新的发现表明，质量较小的星系也能因恒星形成的不规则明亮爆发而发出同样明亮的光芒。
这项研究的合著者兼CCA研究科学家克里斯·海沃德说，这一发现不仅解释了年轻星系看起来质量惊人的原因，而且也符合宇宙学的标准模型。
他说：“我们是第一批证明恒星形成的足够强烈的爆发是由于超新星等恒星反馈过程而自然产生的。”。“这使模型和观测结果达成一致，消除了两者之间的紧张关系，至少在星系亮度方面是这样。”
研究人员10月3日在天体物理杂志通讯.
西北大学温伯格艺术与科学学院物理学和天文学副教授、研究资深作者克劳德·安德烈·福切尔·盖盖尔表示：“这些星系的发现令人大吃一惊，因为它们的亮度大大超过了预期。”，以及天体物理学跨学科探索与研究中心（CIERA）的成员。“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形成的，自大爆炸以来时间还不够长。这些大质量星系怎么能如此迅速地聚集在一起？我们的模拟表明，星系在宇宙黎明时形成这种亮度没有问题。”
西北大学CIERA博士后孙国超（Guochao Sun）表示：“关键是在短时间内在系统中再现足够的光。”。“这可能是因为这个系统非常大，也可能是因为它有快速产生大量光线的能力。在后一种情况下，一个系统不需要那么大。如果恒星形成是突然发生的，它会发出闪光。这就是为什么我们会看到几个非常明亮的星系。”
Hayward、Faucher-Gigureère和Sun与CCA研究员Rachel Cochrane、加州理工学院的Shuejian和加州大学戴维斯分校的Andrew Wetzel合作。
宇宙大爆炸后大约1亿年到10亿年，宇宙黎明的标志是宇宙中第一批恒星和星系的形成。在JWST发射到太空之前，天文学家对这个古老的时期知之甚少。
太阳说：“JWST给我们带来了很多关于宇宙黎明的知识。”。“在JWST之前，我们对早期宇宙的大部分知识都是基于很少来源的数据进行推测的。随着观测能力的大幅提高，我们可以看到星系的物理细节，并利用这些坚实的观测证据研究物理学，以了解发生了什么。”
在这项新的研究中，研究人员使用先进的计算机模拟来模拟宇宙大爆炸后星系的形成过程。模拟产生的宇宙黎明星系与JWST观测到的星系一样明亮。模拟是相对论环境中的反馈（FIRE）项目，Faucher-Giguère与加州理工学院、普林斯顿大学和加州大学圣地亚哥分校的合作者共同创建。
FIRE模拟结合了天体物理理论和先进算法来模拟星系形成。这些模型使研究人员能够探索星系是如何形成、生长和改变形状的，同时考虑到恒星返回的能量、质量、动量和化学元素。
当研究人员对宇宙黎明时形成的早期星系进行模拟时，他们发现恒星是以爆发形式形成的，这一概念被称为“爆发恒星形成”在像银河系这样的大质量星系中，恒星以稳定的速度形成，恒星的数量随着时间的推移逐渐增加。但是，当恒星以交替的方式形成时，就会发生所谓的爆裂恒星形成：一次形成许多恒星，随后是数百万年来极少数的新星，然后又形成许多恒星。
Faucher-Giguère说：“爆裂恒星形成在低质量星系中尤其常见。”。“为什么会发生这种情况的细节仍然是正在进行的研究的主题。但我们认为会发生的是恒星爆发；几百万年后，这些恒星爆发为超新星。气体被踢出，然后回落形成新恒星，推动恒星形成循环。但当星系变得足够大时，它们的引力会更强。当超新星爆炸时，它们的强度不足以从系统中喷出气体。重力将星系保持在一起，并使其进入稳定状态。”
模拟还能够产生与JWST所揭示的相同数量的明亮星系。换句话说，模拟预测的明亮星系数量与观测到的明亮星系的数量相匹配。
尽管其他天体物理学家已经假设，恒星爆炸形成可能是宇宙黎明时星系异常亮度的原因，但研究人员是第一个使用详细的计算机模拟来证明这一可能性的人。他们能够做到这一点，而不需要添加与我们的标准宇宙模型不一致的新因素。
Faucher-Giguère说：“星系中的大多数光线来自最大质量的恒星。”。“因为更多的大质量恒星以更高的速度燃烧，所以它们的寿命很短。它们在核反应中会迅速耗尽燃料。因此，星系的亮度与过去几百万年中形成的恒星数量比与整个星系的质量更直接相关。”
海沃德说，理论和观测之间的分歧，无论是已解决的还是未解决的，乍一看都可能是一件坏事，但这会给“这一领域带来令人难以置信的激动人心的时刻”。“JWST的表现确实如人们所希望的那样，我们对现有知识进行了一些确认，但也得到了一些新的令人惊讶的结果。这就是你在科学中学习的方式。这就是你改进理论的方式。”
这项名为“爆裂恒星形成自然解释了宇宙黎明时明亮星系的丰富性”的研究得到了NASA和国家科学基金会的支持。
