https://www.scientificamerican.com/article/ancient-galaxy-clusters-offer-clues-about-the-early-universe/

宇宙难以容纳的星系摇篮

天文学家发现了一个遥远的、富含尘埃的原星系团,它质量巨大并且处于宇宙早期,100 亿年前便达到了银河系的大小。但矛盾之处在于,物理学模型不允许早期宇宙中产生如此巨大的星系,换言之,原星系团过快的成长速度,似乎会打破宇宙定律

正如树木、人和恒星一样,星系也有生命循环。当足够多的气体和恒星合并形成一个有条理的结构,星系就此诞生。星系可能从一团气体开始,缓慢聚集更多质量,也可能源于两团或更多气体云相互碰撞。不论以哪种方式,一旦形成,星系将用它的一生来孕育恒星。星系利用气体储备创造诸多微小的核「熔炉」,释放光与热。那些「活」星系在紫外波段发出强烈的光,这说明星系内还有年轻明亮、温度很高的恒星。随着恒星寿命增长,它们发出的光从热变冷,从蓝色变成黄色或红色。因此,当一个星系内的恒星大部分都变成黄色或红色,即不再发射紫外光子的时候,我们认为这个星系「退休」了,或者说它「变红并且死亡」。最终,如果质量足够大,星系将会演化为一个椭圆形的「大水滴」,称为「椭圆星系」,并再也不会产生新的恒星了。

在我们的近邻宇宙——大概 3 亿光年到 6 亿光年的范围内——天文学家观测到了大量聚集成团的死亡或濒死椭圆星系,我们把这样的系统称为星系团。这些星系团中残留着成百上千个大质量星系演化晚期的遗骸,它们在引力作用下互相缓慢绕转,就如同在这星系的坟墓之中跳着永恒的舞蹈。

不过,星系团也为天文学家带来了难题。大多数星系团看上去在宇宙只有目前年龄一半的时候就已经形成了,这意味着星系团中的星系必须在宇宙历史的极早期就已经孕育出了大量恒星。如此一来,这些星系比银河系少用了 100 亿年就成长到了后者的大小,甚至更大。这些星系最初处于一个名为「原星系团」的年轻星系团中,原星系团的活跃程度超乎想象,所有星系都在快速而剧烈地产生新恒星。问题在于,我们现有的物理知识没法解释为什么星系能够在这么短的时间内长到这么大。

事实上,天文学家近期才有了能够找到并观测那些藏匿在宇宙深处的原星系团(它们发出的光穿越了 100 亿光年或者更远才达到我们)的望远镜设备。即便如此,那些质量巨大的星系成员往往会被掩藏在星际尘埃背后,难以观测。令人惊喜的是,在过去几年间,科学家发现了 2 个特殊的原星系团,这为我们研究星系团成长提供了一个前所未有的窗口。后续的观测进一步地表明这两个原星系团既活跃又庞大,庞大到已经给现有的星系形成理论带来了挑战。如果我们能够解开这个星系团谜题,或许我们将会重新定义宇宙演化。

追逐星暴星系

典型的、恒星形成活跃的星系每年会产生 1–3 个太阳质量的恒星,这些星系被称为正常的恒星形成星系,而银河系就属于此类。我们可以把正常的恒星形成星系比作乌龟,缓慢地形成恒星并在百亿年间持续不变,始终保持着蓝色,有着盘状的结构,并且悠闲地、从容地消耗着储备中的新鲜气体(新恒星的燃料)。

那些每年产生成百上千颗恒星的星系则被称为星暴星系,它们就像是星系演化这场龟兔赛跑中的野兔。在最多大约 3 亿年的时间内,这些星系的恒星形成活动呈现暴发式增长,尽可能快地产生尽可能多的恒星,在宇宙一眨眼的功夫里,用尽所有的气体燃料。星暴星系如同昙花一现,很快形成但也很快死亡,度过璀璨的一生。天文学家认为它们很可能就是我们看到的星系团中那些大质量死亡椭圆星系的前身。

基于这些结论,一个合理的推断是,如果我们能够看到足够远、足够早期的宇宙,我们将会找到充满着星暴星系的原星系团,也就是将来死亡星系构成的星系团。然而,事实证明,在原星系团中搜寻星暴星系非常具有挑战性。截至目前,我们大部分辨认星系团的方法针对的都是濒死的椭圆星系,或那些弥漫在星系之间的热气体。可是,椭圆星系以及星系团内热气体都出现在星系团演化的晚期。因此,我们需要一种新的方法,帮助我们搜寻那些更蓝、更接近星系恒星形成的婴儿时期所对应的天体。除此之外还需要注意的是,由于这些早期的星系还未完全聚集成我们现在看到的致密结构,原星系团在天空中的跨度往往比较大,为搜寻这类天体增加了更多困难。你如果知道我们现有最著名,也最精确的望远镜——哈勃空间望远镜(它的传感器宽度仅仅相当于一根铅笔的长度),那么对于我们没有办法将完整的原星系团图像同时拍下来,就不会感到惊讶了。毕竟,那些天体在天空中足有 100 多个望远镜视场那么大。

其他搜寻星系团的方法,诸如在天空中一条细长的带上系统性地搜寻,会倾向于错过那些星暴星系,因为它们通常会被自身的尘埃遮挡。这是因为星系在星暴过程中经历着非同一般的恒星形成与生长过程:大量恒星的形成意味着恒星死亡后的超新星爆发会产生过量的重金属,而一旦它们被泼洒到星际空间中,铁、碳以及金这类重金属就会碰撞形成复杂的尘埃分子,吸收并且遮蔽紫外和光学波段的光子。不妨想想森林火灾发生时变红的太阳:烟尘吸收,削弱那些更热、能量更高、颜色较蓝的光子,而允许颜色较红的光子穿过。这样的结果则是,这些星暴星系几乎在光学和紫外波段是不可见的,但是它们却在更冷的红外波段看起来像灯塔一样极亮无比、易于分辨。

到目前为止,上述提到的这些方法——不论是寻找星系团的工具还是研究原星系团的方式——通常都忽视了一类重要星系。在 2010 年前后,赫歇尔空间天文台(Herschel Space Observatory)发射升空,联合后续 SPT 南极点望远镜(South Pole Telescope)与斯皮策空间望远镜(Spitzer Space Telescope)的观测,彻底颠覆了人们对宇宙的认识。上百万个曾经隐身的星系如今在红外波段下变得可见,被尘埃遮蔽的宇宙逐渐揭开它神秘的面纱。

实际上,大约在 15 年前,天文学家已经开始研究富含尘埃的星暴星系的成团性。他们发现,像这些「精力充沛」、「身强力壮」的星系往往倾向于出现在其他庞大且恒星形成活动较活跃的星系周围。但是可惜的是,目前的技术水平仍旧落后于我们的野心:现有的红外以及毫米波的望远镜分辨率还是太低了,导致我们看到的信号其实是多个空间上无法分辨的星系共同贡献的,尽管这些星系的真实距离很遥远,但它们在视线方向上有交叠。总而言之,在红外波段观测宇宙的时代的确来临了,但是我们迫切需要更加灵敏、更加有效的探测设备来完全理解我们所看到的现象。

终于,在 2013 年,阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array,ALMA)如同天使降临,正式全面运作。这个坐落于智利的沙漠平原、集合了近 70 个单口径射电望远镜为一体的望远镜阵列,它的空间分辨率甚至可以高达赫歇尔望远镜的 600 倍。

ALMA 让天文学在包含星系演化在内的许多方面产生了改变(我知道有些人甚至在身上纹了 ALMA 望远镜的标志来向其致敬)。ALMA 非常擅长探测那些恒星形成星系中富含尘埃和气体的恒星摇篮。有了它的帮助,天文学家发现了一批批令人震惊而又兴奋的天体系统。

惊奇的巨兽

2018 年,两个独立的天文学家团队使用 ALMA 研究在遥远的宇宙中能找到的最亮的红外天体。这两个团队都在自己的研究样本里发现了一个富尘埃的星暴星系群,这两个星系群曾经隐匿在低空间分辨率之中,都被第一代红外望远镜忽视了。SPT2349-56 这一由 14 个星系组成的星系群,和「遥远的红核」(Distant Red Core,DRC)这一由 10 个星系组成的星系群,早在宇宙年龄仅有现在的 10% 时,就在宇宙的两个不同的角落中蓬勃生长。进一步观测显示,这 2 个仍处在发育期的原星系团经历着极端的爆发式恒星形成活动——每个原星系群中恒星形成速率高达银河系的(每年形成一个太阳质量的恒星)1 万倍,而整个星系群的体积却仅有本星系群(包含我们的银河系加上仙女座以及一些小的星系)的一半。粗略估算一下两个原星系团各自的气体储备,我们可以知道,如果这些星系仍然以这样过量的速率产生新的恒星,它们将会最终用尽所有的气体,并逐渐演化为一个大质量的、红色的椭圆星系。届时,整个星系团中将会漂浮着这些巨型遗骸,如同星系的坟墓。此外,值得一提的是,这样的生命循环在很久之前就已经完成了。

两个由尘埃遮蔽的原星系团核心为我们研究星系团生长提供了非常有前景的新窗口。不过,我们仍旧忽视了一个非常重要的点,研究星系最好的方式是测量来自该星系成年星族的光,也就意味着,我们需要电磁辐射谱上多个波段的数据。但是截止目前,所有关于宇宙最初 20 亿年中的原恒星团的观测数据,都是集中在一个极窄的光谱范围内的(要么是光学的,要么是红外的)。在 2018 年 9 月,我和同事有幸首次观测到了来自 12 亿年前一个富尘埃的星暴原星系团发出的紫外和光学波段的辐

射,该星系团即为「遥远的红核」。使用哈勃空间望远镜、双子星天文台(Gemini Observatory)以及斯皮策空间望远镜联合观测,我们最终获得了多波段数据,用于深入研究该原星系团的过去和未来。

等待哈勃空间望远镜数据的过程可谓一种煎熬。你知道哈勃会在哪天对准你申请观测的天区,但是你永远都不知道什么时候才能真正拿到数据:你只能等待电子邮件提示你去查看档案资料。到了哈勃观测我们组的原星系团那天,我几乎每过两分钟就会去查看一下邮件。当等到不得不睡觉时,空空如也的电子邮箱让我十分失望。

第二天早晨,我醒了之后立刻从床上滚下来(即便我的伴侣表示强烈抗议),冲向我的电脑去看观测数据是否发送过来。幸运的是,那天午夜之后,数据发送过来了。我开始下载,像一个小孩子不安分地等着她将要拆开的礼物一样手舞足蹈。终于,我打开了图片。没有语言能够形容我当时的感受,我是第一个窥见宇宙这个角落的人。我花了一些时间检查该天区中的每个恒星和星系,以确认它们的存在。最终我平复了心情,放大那块我感兴趣的天区,我看见了一些不寻常的东西。

宇宙的这个小区域相当混乱。至少有一半的星系从形态上来说相当的散乱,它们一定曾在近期与其他星系碰撞,或正在经历这样的过程。当我们测量成年恒星星族时,我们发现了一些难以置信的事情,这件事情甚至可能会挑战我们目前对宇宙的理解。在这样早的时期,「遥远的红核」中部分星系已经形成了比银河系还要多 3 倍的恒星,却只用了非常短的时间。然而,基于已知物理学规律的宇宙数值模拟很难在这么早就产生质量如此大的星系。虽然自从观测到富尘埃的恒星形成星系,我们就发现了这个问题,但是这次数值模拟和观测的不一致使得问题更为严峻。实际上,要模拟星暴星系中极快的恒星形成率以及极高的恒星形成密度很困难的。在现有的物理学框架下,这些模拟出的星系要么碎裂成块,要么温度过高,会吹走所有新鲜气体,使其无法长得更大,而这些显然都与我们现在看到的不符。

原星系团作为一个整体又带来另一个问题:它质量太大了。当我首次去测量质量的时候,我甚至无法相信那个计算出来的数字。我一个个去敲同事的门,去确认我的计算没有问题。两周之后,我把研究的结果带到研讨会上展示给我的合作者看,他们其中一位说:「你代码里应该有漏洞。」另一位则说:「你确定你没有在什么地方重复算了一遍吗?」(事实是,我的代码里的确有一个漏洞,不过不足以解释这样一个庞大的计算结果)最终,经过再三的检查计算,并且尝试了别的方法之后,我确定测量结果无可否认。看上去,「遥远的红核」对于我们现有的宇宙来说真的太大了。我们实在不清楚,它如何能够在这么短的时间里长到如此巨大。

为了更好地理解它到底有多大,以及有多少物质用于恒星形成,我们先把注意力集中在这个原星系团的暗物质晕上。暗物质是任何星系乃至整个宇宙中含量最丰富的一种物质。所有的星系和星系团被一团暗物质,或者说暗物质晕环绕着。尽管暗物质是不可见的(同时这也是暗物质名字的由来),我们对它也不够了解,但暗物质能够通过引力作用留下痕迹。目前来看,有许多不同的方式去推断给定天体中暗物质的质量,要介绍这些方法我们或许需要另外一篇文章(或许是 5 篇)。简而言之,我们评估了「遥远的红核」中暗物质的含量,根据我们的模拟,它暗物质晕的质量几乎是给定宇宙年龄下的最大可能值。明显过量的暗物质意味着「遥远的红核」有可能因为太过庞大而违反了我们对宇宙的现有理解。

我们快进数值模拟,来估计「遥远的红核」在 120 亿年之后,也就是在当前宇宙中,会变成什么样子。我们发现,它将会成长为一个比现在已知最大的星系团 ELGordo 还要大的星系团。尽管我们在计算暗物质的时候,有一个健全的误差边界,这意味着有可能我们高估了暗物质的总量。不过,如果我们还考虑观测上的限制,比如我们的观测由于视场不够宽,只捕捉到了部分星系团成员,那这样的矛盾就只会更严重,因为我们很可能低估了暗物质的总量。也就是说,如果进一步研究这个原星系团,增加视场和搜寻的天区范围,与现有理论的冲突很可能性会变得更大。

星系团生命历程的反思

我们对「遥远的红核」的研究,以及可能与之类似的其他原星系团的发现,迫使我们反思现有的星系团形成理论。因为这些星系团中的星系很可能是第一代星系,我们必须要确定这样大质量的天体能否如此快地形成。这么做不仅仅需要考虑第一代星系中的物理学机制和恒星形成中的化学反应过程,同时也需要研究一系列与时间相关的条件,如暗物质塌缩形成暗物质晕,为星系形成埋下种子等等。宇宙中星系和结构是否可能比我们预期的更早开始形成?这对于我们理解宇宙中初代元素核合成有什么意义?或许这些星系中已经锻造出了恰好的元素,为制造恒星甚至环绕的宜居的行星提供了可能,甚至孕育了宇宙中的第一代生命。

一些问题或许在我有限的生命里无法得到回答,但是我和合作的天体物理学家们会一直努力工作,并且尽快解决这些问题。我们已经提出了更多在不同波段观测原星系团的申请。我们同样也发展了一些新的方法来从大样本数据中证认富含尘埃的原星系团。

有了更多的样本,我们或许可以确定原星系团是否都如「遥远的红核」一样,虽然过去不可见,却是星系团演化的必经阶段,还是说「遥远的红核」仅仅是一个特例。观测者和理论研究者正在建立新的合作关系,以研究宇宙到底在多早就能具备条件,允许我们发现的这类原星系团形成——极小的空间聚集着质量过大的物质,并伴随着有极高的恒星形成率。

检测我们的物理模型的最好方法就是去观察那些极端的现象。在接下的几年中,这些庞大的特殊星系聚集体将考验人类对宇宙的理解

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我们应该学会去理解别人的观点,不仅仅是服从和被告知。

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