249亿光年外发现不该有的星系，天文学家：早出现26亿年

根据《科学》（Science）杂志刊载的一项新研究[1]，天文学家发现了一个目前距离地球249亿光年的遥远星系——BRI 1335-0417，它出现在年龄只有14亿年的年轻宇宙中。但它的一个特征让天文学家感到非常惊讶，这样的星系本不该存在于当时的宇宙中，目前的理论无法解释。

在直径为930亿光年的可观测宇宙中，估计存在2万亿个星系，我们所生活的银河系就是其中一个。从结构上来讲，星系可以划分为三大类：螺旋、椭圆以及不规则。

在目前的宇宙中，大部分星系都为螺旋星系，占比可达三分之二。螺旋星系的特征是中心有一个聚集大量恒星的核球，从核球周围会延伸出几条旋臂。银河系属于螺旋星系（又可以进一步细分为棒旋星系），存在4条主旋臂和至少2条支臂，我们的太阳系处在猎户支臂上。

基于阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）的观测结果，BRI 1335-0417星系存在螺旋结构、旋转盘和中心大质量结构，这意味着它是一个典型的螺旋星系，这也目前已知最远最古老的螺旋星系。

根据星系演化理论，宇宙中的第一批星系最早出现在宇宙大爆炸后2亿年，即136亿年前。目前，天文学家观测到的最古老星系是134亿年前的GN-z11，它存在于年龄仅为4亿年的早期宇宙中。

虽然宇宙中早就有星系形成，但最初的星系都是不规则的，根本来不及也没有没条件来形成螺旋星系。在如今的宇宙中，螺旋星系是主流，但随着时间的往前回溯，它们的数量将会大幅下降。

光速在宇宙中的传播速度是有限的，这意味着我们看到越远的光子，也就看到了越早的时间，光子从遥远宇宙传播到地球上需要时间。当天文学家观测遥远宇宙时，发现螺旋星系的数量会随着时间的回溯而迅速减少。

早期宇宙要比现在小得多，物质密度也大得多，所以那时的宇宙十分混乱。大量星云在暗物质的作用下形成新的星系，它们的形状都是不规则的，这个可以从几乎看到宇宙尽头的哈勃极深场窥见一斑。

在第一批星系形成之后，还需要非常漫长的时间，引力才能把星系“摊成”薄饼状，并形成旋臂。在引力混乱的早期宇宙中，不允许星系形成独特的螺旋结构。

天文学家估计，只有宇宙诞生40亿年后，才有条件大量形成螺旋星系。而螺旋星系BRI 1335-0417的出现比理论上早了26亿年，它的螺旋结构成因不明，这是天文学家目前所无法理解的现象。

虽然BRI 1335-0417还不是成熟的螺旋星系，但它的两条旋臂非常明显，从星系中心向外延伸了大约1.6万光年。在该星系的中心，天文学家还发现了一个质量高达太阳60亿倍的超大质量黑洞，它正在大量吞噬物质，释放出强烈的电磁辐射。BRI 1335-0417的总质量大致相当于银河系的质量，对于一个存在于年轻宇宙中的星系来说，这个星系无疑是一个巨无霸。

最后值得注意的是，BRI 1335-0417星系出现在宇宙年龄只有14亿年时，而目前宇宙年龄为138亿年，这意味着该星系存在于124亿年前。那么，它是如何在124亿年的时间里，运动到249亿光年之外呢？难道它的运动速度超过了两倍光速？

事实上，这个星系并没有超光速，这是宇宙空间持续膨胀的结果。在124亿年前，它与银河系的距离还没有那么远。然而，由于该星系与银河系之间的空间不断在扩张，导致它发出的光用了多达124亿年的时间才到达银河系。

而在过去124亿年里，这个星系随着空间膨胀，不断远离而去，使得两个星系目前分开的距离达到了249亿光年。它们之间的实际距离并不是124亿光年，这个星系发出的光走过的距离才是124亿光年。这是空间膨胀的结果，不受光速的限制，星系本身在空间中的运动速度远远小于光速。

参考文献

[1] Takafumi Tsukui, Satoru Iguchi, Spiral morphology in an intensely star-forming disk galaxy more than 12 billion years ago, Science, DOI: 10.1126/science.abe9680.