【文/ 觀察者網(wǎng)專欄作者 徐令予】

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(gè)亮白色的光環(huán)繞著中心旋轉(zhuǎn)，這些星星又各有其行星繞著旋轉(zhuǎn)，我們生活的家園太陽系就是這其中之一。當(dāng)我們?yōu)殂y河星系的宏偉美麗驚嘆不已時(shí)，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(guān)于早期宇宙的大多數(shù)理論有兩個(gè)假設(shè)：

1）宇宙中充滿了氫氣和氦氣。

2）有些地區(qū)比其他地區(qū)稍微密集一些。

從這些假設(shè)出發(fā)，天文學(xué)家認(rèn)為，較密集的區(qū)域會(huì)稍微放慢膨脹速度，導(dǎo)致氫氣和氦氣累積成原始云團(tuán)。在這些云團(tuán)中，萬有引力引起氣體和塵埃壓縮和塌陷，并形成眾多像太陽般的第一代恒星。這些早期的恒星燃燒迅猛，快速消失，成為球狀星團(tuán)。球狀星團(tuán)中間被引力進(jìn)一步壓縮并形成了旋轉(zhuǎn)盤。旋轉(zhuǎn)盤吸進(jìn)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恒星，而在它外圍留下的是球狀云團(tuán)。這大概就是宇宙中所有星系——包括我們這個(gè)生于斯、長于斯、歌哭于斯的銀河星系——的生長發(fā)育史。

中國遠(yuǎn)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(shè)倒也有那么一些吻合。當(dāng)然關(guān)于星系生成的現(xiàn)代學(xué)說畢竟不是神話，它是在深入的理論分析和大量的實(shí)驗(yàn)觀測的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展完善起來的。

現(xiàn)代的巨型高速計(jì)算機(jī)真的非常給力，天文學(xué)家依靠它們作了大量的模似計(jì)算。按照理論模型，從宇宙的起始狀態(tài)出發(fā)通過模擬計(jì)算，把演算的結(jié)果與今日滿天的各種星系現(xiàn)狀作比較，從而不斷修正完善理論模型。

一切假設(shè)和理論最終必須接受實(shí)驗(yàn)的考驗(yàn)，我們不僅要仔細(xì)觀察自已的銀河星系的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)，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(yuǎn)離我們都在數(shù)億光年以上，光線從它們那里出發(fā)到達(dá)我們地球都要數(shù)億年的時(shí)間。也就是說，我們今天看到的河外星系其實(shí)是它們數(shù)億年以前的真實(shí)模樣。通過觀察這些遙遠(yuǎn)的河外星系，我們就能深入了解這些星系發(fā)育生長的早年歷史。

假如離我們地球2000光年外有一顆行星，又假如那里生活著高度文明的外星人，使用高科技觀察設(shè)備，他們現(xiàn)在應(yīng)可看到二千年前地球上發(fā)生的故事。說不定他們可以看到被困垓下的西楚霸王項(xiàng)羽的窘境，看看他究竟是如何與虞姬訣別的。當(dāng)然要看到這樣的細(xì)節(jié)會(huì)有許多技術(shù)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(huì)有太大的問題。

總之，通過觀察遙遠(yuǎn)的河外星系，我們?nèi)缤诜喰窍档臍v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(yuǎn)的星系越為重要，因?yàn)檫@讓我們可以認(rèn)識(shí)星系萌芽期的狀況。

如今天文學(xué)家已經(jīng)把目光投向了120億光年外的星系。眾所周知，宇宙大爆炸開始于大約137億光年，因而我們今天觀察研究的這個(gè)星系是在宇宙開始后大約15億年前的狀況，即是宇宙演化時(shí)間軸上離起始點(diǎn)僅8%的位置上，那是星系生成演化史的嬰兒期，這對(duì)于我們認(rèn)識(shí)和理解星系的形成殊為關(guān)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里變得非常非常的微弱，更要命的是在它背后還有十分明亮的類星體[1]，這使對(duì)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(yuǎn)的星系幾乎就是不可能。

到目前為止，對(duì)遙遠(yuǎn)星系的觀察研究都是采用間接的手段，天文學(xué)家通過對(duì)躲在這些星系后面的類星體的光譜分析來間接推斷星系內(nèi)部的組成。類星體的光線在穿透目標(biāo)星系時(shí)，某些波長的光波會(huì)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(nèi)部的氣體成分。

但是采用間接方法觀察研究遙遠(yuǎn)星系得到的信息畢竟有限，天文學(xué)家企圖直接觀察收集這些遙遠(yuǎn)星系內(nèi)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(jìn)的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡ALMA讓天文學(xué)家看到了希望的曙光。

由沃爾夫教授（Arthur M. Wolfe）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)從1986年起，就依靠間接的方式研究遙遠(yuǎn)的星系，積累了豐富的數(shù)據(jù)。他們長期的規(guī)劃和等待終于得到了回報(bào)，沃爾夫的關(guān)門弟子——他的最后一位博士學(xué)生Marcel Neeleman——通過ALMA得到的最新數(shù)據(jù)令人備感振奮，讓我們對(duì)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(yuǎn)鏡ALMA收集人眼不可見的毫米/亞毫米波長的電磁波。他們專注于遙遠(yuǎn)目標(biāo)星系的兩個(gè)電磁輻射源：電離碳和暖塵埃，這些多是星系的核心區(qū)域——眾多恒星的誕生地——常有的物質(zhì)。把這些直接收集得來的新數(shù)據(jù)與過去間接收集到的舊數(shù)據(jù)匯合在一起，出人意料的結(jié)果立刻呈現(xiàn)到人們的面前。

圖一

圖一右下角紅色區(qū)域就是類星體穿越星系后的光斑，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(qū)域是電離碳電磁輻射，藍(lán)色區(qū)域是暖塵埃電磁輻射，這塊區(qū)域是星系中生成眾多恒星的核心部分（又稱星系盤）。而這核心部分與星系外圍的氣體云團(tuán)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(gè)巨大的中性氫、氦氣團(tuán)之中。