星系的演化史和ALMA的新發現 | 徐令予

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我們今天看到的河外星系其實是它們數億年以前的真實模樣。通過觀察這些遙遠的河外星系，我們就能深入了解這些星系發育生長的早年歷史。假如離我們地球2000光年外有一顆行星，又假如那裡生活著高度文明的外星人，使用高科技觀察設備，他們現在應可看到二千年前地球上發生的故事。說不定他們可以看到被困垓下的西楚霸王項羽的窘境，看看他究竟是如何與虞姬訣別的。

仰望夜空，銀河星系伸展在天幕之上，星系中千千萬萬顆星星組成了一個亮白色的光環繞著中心旋轉，這些星星又各有其行星繞著旋轉，我們生活的家園太陽系就是這其中之一。當我們為銀河星系的宏偉美麗驚嘆不已時，禁不住想知道：宇宙中的這些星系究竟如何形成？它們來自何處又奔向何方？

關於早期宇宙的大多數理論有兩個假設：

1）宇宙中充滿了氫氣和氦氣。

2）有些地區比其他地區稍微密集一些。

從這些假設出發，天文學家認為，較密集的區域會稍微放慢膨脹速度，導致氫氣和氦氣累積成原始雲團。在這些雲團中，萬有引力引起氣體和塵埃壓縮和塌陷，並形成眾多像太陽般的第一代恆星。這些早期的恆星燃燒迅猛，快速消失，成為球狀星團。球狀星團中間被引力進一步壓縮並形成了旋轉盤。旋轉盤吸進更多的氣體和塵埃形成了星系盤，星系盤中又生成更多新的恆星，而在它外圍留下的是球狀雲團。這大概就是宇宙中所有星系——包括我們這個生於斯、長於斯、歌哭於斯的銀河星系——的生長發育史。

中國遠古的神話「盤古開天」就說：「天地渾沌如雞子……」，這與星系生成的假設倒也有那麼一些吻合。當然關於星系生成的現代學說畢竟不是神話，它是在深入的理論分析和大量的實驗觀測的基礎上逐步發展完善起來的。

現代的巨型高速計算機真的非常給力，天文學家依靠它們作了大量的模似計算。按照理論模型，從宇宙的起始狀態出發通過模擬計算，把演算的結果與今日滿天的各種星系現狀作比較，從而不斷修正完善理論模型。

一切假設和理論最終必須接受實驗的考驗，我們不僅要仔細觀察自已的銀河星系的結構和運動，更重要的是觀察銀河星系外面的其它星系。有些河外星系遠離我們都在數億光年以上，光線從它們那裡出發到達我們地球都要數億年的時間。也就是說，我們今天看到的河外星系其實是它們數億年以前的真實模樣。通過觀察這些遙遠的河外星系，我們就能深入了解這些星系發育生長的早年歷史。

假如離我們地球2000光年外有一顆行星，又假如那裡生活著高度文明的外星人，使用高科技觀察設備，他們現在應可看到二千年前地球上發生的故事。說不定他們可以看到被困垓下的西楚霸王項羽的窘境，看看他究竟是如何與虞姬訣別的。當然要看到這樣的細節會有許多技術上的困難，但是看看2000年前東亞大陸上有沒有霧霾也許不會有太大的問題。

總之，通過觀察遙遠的河外星系，我們如同在翻閱星系的歷史畫卷，從中可以看到星系是如何逐步形成和演化的。觀察越為遙遠的星系越為重要，因為這讓我們可以認識星系萌芽期的狀況。

如今天文學家已經把目光投向了120億光年外的星系。眾所周知，宇宙大爆炸開始於大約137億光年，因而我們今天觀察研究的這個星系是在宇宙開始後大約15億年前的狀況，即是宇宙演化時間軸上離起始點僅8%的位置上，那是星系生成演化史的嬰兒期，這對於我們認識和理解星系的形成殊為關鍵。

但是觀察120億光年外的星系十分困難，這些星系的光線傳播到我們這裡變得非常非常的微弱，更要命的是在它背後還有十分明亮的類星體[1]，這使對星系的觀察猶如在太陽光照射下尋找螢火蟲。因而直接觀察這樣遙遠的星系幾乎就是不可能。

到目前為止，對遙遠星系的觀察研究都是採用間接的手段，天文學家通過對躲在這些星系後面的類星體的光譜分析來間接推斷星系內部的組成。類星體的光線在穿透目標星系時，某些波長的光波會被星系中的氣體吸收，通過類星體光譜的分析比較，我們就可知道星系形成早期內部的氣體成分。

但是採用間接方法觀察研究遙遠星系得到的信息畢竟有限，天文學家企圖直接觀察收集這些遙遠星系內部信息的努力從來沒有停止過。2003年在智利高原上開始建造的世界最先進的綜合孔徑射電望遠鏡ALMA讓天文學家看到了希望的曙光。

由沃爾夫教授（Arthur M. Wolfe）領導的團隊從1986年起，就依靠間接的方式研究遙遠的星系，積累了豐富的數據。他們長期的規劃和等待終於得到了回報，沃爾夫的關門弟子——他的最後一位博士學生Marcel Neeleman——通過ALMA得到的最新數據令人備感振奮，讓我們對星系的形成和演化有了更直接、更深入的了解。

研究人員利用綜合孔徑射電望遠鏡ALMA收集人眼不可見的毫米/亞毫米波長的電磁波。他們專註於遙遠目標星系的兩個電磁輻射源：電離碳和暖塵埃，這些多是星系的核心區域——眾多恆星的誕生地——常有的物質。把這些直接收集得來的新數據與過去間接收集到的舊數據匯合在一起，出人意料的結果立刻呈現到人們的面前。

圖一

圖一右下角紅色區域就是類星體穿越星系後的光斑，通過光譜分析，顯示出該處有星系的中性氫氣存在，它們吸收了類星體光線中特定的譜線。左上角綠色區域是電離碳電磁輻射，藍色區域是暖塵埃電磁輻射，這塊區域是星系中生成眾多恆星的核心部分（又稱星系盤）。而這核心部分與星系外圍的氣體雲團之間足有十萬光年的距離。也就是說星系生成的早期是包圍在一個巨大的中性氫、氦氣團之中。

圖二是對數據作藝術加工後得到的早期星系組成的示意圖。圖上的中間部份是星系盤，這是星系中無數恆星生生滅滅的核心區域，早期的星系又包圍在巨大的氫、氦氣團之中，左上角的一個小亮點就是星系背後的類星體。這個氣團的尺寸遠大於星系盤，這些氣團在以後的歲月中會被吸收進星系內部，成為星系發育成長的燃料。我們的銀河系應該也就是這樣演化過來的。

圖二

ALMA數據還獨特地揭示了星系中氣體雲的內部運動。動力學的分析表明，星系的氣體雲已形成巨型轉盤，與我們的銀河系十分相似，並以大約120公里/秒的速度旋轉，這與星系形成期的一些理論預測相吻合。

在ALMA的觀察中同時檢測到了星系中「暖」塵埃的熱輻射（當然這個暖是相對的，在這裡，只是絕對零度以上約30個攝氏度）。有理由相信，這些星系塵埃是被剛形成的年輕的大型恆星所加熱，估計該星系每年形成的恆星數目超過100個，這是一個十分驚人的速度，星系早期發育生長過程非常活躍。

ALMA為星系早期生成發展的研究作出了突出貢獻，ALMA大型綜合孔徑射電望遠鏡提供的高角解析度和高靈敏度使得對120億光年外遙遠星系的直接觀察研究成為可能。

由於射電望遠鏡工作的波長比可見光大許多倍，一般而言，射電望遠鏡的角解析度遠差於光學望遠鏡。增大主反射鏡的直徑，可以在一定程度上改善射電望遠鏡的角解析度，但是製作巨大的主反射鏡受到工程技術的制約，即使像貴州500米直徑的FAST單天線射電望遠鏡的角解析度對於遙遠的河外星系研究也是無能為力的。

「山窮水盡疑無路，柳暗花明又一村。」七十年代由英國開始研製的綜合孔徑射電望遠鏡可以大幅提高系統的角解析度和接收靈敏度。總的思路是「眾人拾柴火焰高」，使用分散的多台射電望遠鏡同時接收射電信號，然後把信號匯總交計算機分析比較，產生高解析度的天體射電幅射圖象。這種發動群眾、依靠群眾的思維方式和處事原則才具有真正的普世價值。整個ALMA系統的角解析度比哈勃太空光學望遠鏡還要強五倍！

TheAtacama Large Millimeter/submillimeter Array（ALMA 阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列望遠鏡）是世界上功能最強大、技術最先進的綜合孔徑射電望遠鏡系統。這個主要由歐美及智利等國家和地區合作建設的射電望遠鏡陣列共有54台12米直徑和12台7米直徑的射電望遠鏡組成，散布在南美智利的5千米的高原平台上，最大間距約16千米。它們各自的位置可以根據研究項目作相應的調整。整個系統的建設花了十多年，總投資14億美金，被譽為21世紀的金字塔工程。

ALMA綜合孔徑射電望遠鏡正式運行才短短兩三年的時間，牛刀小試已經成績斐然。假以時日，採集到更多數據後，ALMA很有可能會給我們帶來巔覆性的科學成果。

人類對宇宙起源的好奇和探索永遠不會滿足，為了科學探索而開發研製各種高精尖設備的努力也永遠不會停止，星系生成的研究和ALMA的建造就是最好的例證，我想這才是我們人類文明真正值得驕傲和自豪之所在。

[1]類星體是類似恆星天體的簡稱，又稱為似星體、魁霎或類星射電源，與脈衝星、微波背景輻射和星際有機分子一道並稱為20世紀60年代天文學「四大發現」。長期以來，它總是讓天文學家感到困惑不解。

類星體是人類觀測到的非常遙遠的天體，高紅移的類星體距離地球可達到100億光年以上。類星體是一種在極其遙遠距離外觀測到的高光度天體，80%以上的類星體是射電寧靜的。類星體比星系小很多，但是釋放的能量卻是星系的千倍以上，類星體的超常亮度使其光能在100億光年以外的距離處被觀測到。據推測，在100億年前，類星體數量更多。

背景簡介：本文作者為加州大學洛杉磯分校物理系研究員徐令予，文章於2017年4月17日發於觀察者網（仰望星空總有新發現，今天說說ALMA-徐令予-觀察者網），風雲之聲獲授權轉載。

責任編輯：孫遠

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