互动科普

通过将遥远的原始星系与近邻的较古老星系相对比，天文学家希望确定星系是如何形成和演化的。

在过去的一个世纪里我们对宇宙的概念产生了根本的改变，这是天文观测能力不断增强的结果。本世纪二十年代Edwin Rubble(哈勃)的开拓性研究提出了“大爆炸”诞生出此后一直在膨胀的宇宙的观点，后来的研究揭示出宇宙在其它方面也随时间发生变化。最初宇宙充满了极端炽热，致密并且几乎均一的物质。现在相对来说它则是空的。当天文学家的观测范围跨越数百万光年时，他们看到的物质是聚集成稀疏的，似乎孤立的少数星系。这种转化是如何发生的以及星系为什么是这样形成的，这是今天宇宙学的一个中心问题。

人们已经把大量的研究工作投向近邻星系——这些星系都是大约演化了一百亿年的星系。然而，最近若干年间天文学家在研究具有宇宙学距离的星系——即是那些在宇宙还是年轻时候存在的星系——方面已取得了很大的进展。由于有限的光速对光传播时间所施加的限制，使得科学家向外看到很遥远的距离就能直接窥视过去。过样，宇宙学家现在能够看到的光是当宇宙年龄小于其现在年龄五分之一的时候从最遥远配系发出的。运用新的仪器和技术，天文学家希望能看到在形成过程中的遥远原始星系并探索这些星系到今天的演化。

当然，这些希望并不容易实现。年轻的星系是如此之遥远以至即使用效力最强大的望远镜看去它们也非常之小而且十分模糊。对一个象我们银河系这样大的星系在宇宙只有现在年龄的一半时的情况进行观测，它在天空中的跨度也只有几个弧秒。用地基望远镜来观侧这样一个星系将看不到其大部分的结构特征；即使在非常优良的环境下，宇宙学家也常常无法区别遥远星系和暗星。然而在最近几年里哈勃太空望远镜——由于其位于地球大气层之上因而具有非常清晰的视力——已经提供了遥远宇宙的详细图象。

许多哈勃镜研究课题都是用于研究年轻星系，但其中有一个课题成为了注意的中心。1995年I2月哈勃望远镜被指向大熊座北斗七星附近的一片不引人注意的天空，这片天空的大小只有满月视大小的1/140。之所以选择这一位置仅仅是因为它提供了银河系之外的一个清晰视场而且有一个有效的场所来搁置望远镜。在10个整日的期间，哈勃望远镜通过四个滤波器拍摄出数百幅照片，覆盖了从近紫外到红外辐射的所有光谱段。这些照片，也就是所谓的Hubble Deep Field(哈勃深域，HDF)观测结果给我们提供了遥远宇宙的最佳图象。(在天文学用语中，“deep”意味着模糊和遥远。)

HDF照片揭示了大约3444个暗星系，这些星系在形状和颜色上表现出令人惊异的变化。许多星系都比我们用肉眼看到的星系要暗十亿倍还多。天文学家面临的挑战就是要解释四维宇宙的这些二维照片，毕竟沿视线的每一件东西——近的和远的，年轻的和年老的——都投射在同一天空平面上。目的并不仅仅是要从这一混合体中证认出原始星系，而且还要将这些星系的特征同近邻的以及所有具有中等距离的较古老星系的特征相比较。我们这样傲的目的是希望能确定星系是如何形成和演化的。

单独根据星系的大小或亮度来判断，很难说出一个星系究竟有多大年龄，我们邻近的暗天体与离我们较远的但实际上是明亮的暗天体看上去很相象。但是我们可以采取其它方法来确定年龄。例如，由于宇宙持续地膨胀，因此星系的距离与其远离我们运行速度成正比，这种退行就会在星系发出的光中产生多普勒频移。结果其特征谱线就会向较长、较红的波长移动。通过测量这种所谓的红移(用z表示)。我们就可以确定出一个星系的相对距离和年龄。

宇宙历史的时间线是根据红移来排列的：当宇宙较小、较年轻因而密度较大时，z值就较大，代表了较早的时期。从任一特定红移值z代表的时期到现在，宇宙的膨胀倍数为(1+z)倍。z与年龄的关系更为复杂。但是一般说来，在红移值为z时，宇宙的年龄最多为其现在年龄的1/(1 +z)。因此，当红移为1时，宇宙的年龄最多为其现在年龄的一半；当红移为3时宇宙的年龄小于今天年龄的25 %或许还小到今天年龄的12.5%。

大量的红移测量工作现已确定出数千个z值直到1的暗星系的距离(这是当前观测的实际极限)。哈勃照片使我们能对这些星系进行分类。将其与邻近星系相比较、并且评估其演化状态。这些星系中的许多似乎都有着相对平静的过去，因为哈勃照片揭示出的红移值至少为1的明亮旋祸星系和椭圆星系都与邻近的旋祸星系和椭圆星系相象。而且即使在较早的时期。这些看上去正常的星系的数量似乎也可以与今天宇宙中发现的星系总数相比。这样，我们就可以推测许多星系已经以基本上与今天相同的形态存在了数十亿年。

然而，根据红移观侧和哈勃照片，还有许多其它的星系经历了戏剧性的变化。简单地进行一下天空的星系计数，你就可发现简直有太多太多的星系。在当前的观测极限上，星系数目至少有局部宇宙的范围内的星系数的10倍。这些星系的蓝颜色，以及其光谱中强烈的发射线表明与今天的星系相比。这些星系是相当迅速地在形成恒星——这种活动性使它们变得更加明亮因而在观测中更易被看到。

而且，这些星系中有许多都具有不规则的卷绕形态，这表明星系的相互作用乃至合并在很久以前就已很普遍了。尽管不规则的和相互作用的星系可以在离地球较近的地方发现，但是它们似乎在宇宙还很年轻时更普遍得多。在HDF的极限范围处，星系计数中占优势的是大量极端致密的天体，这些天体甚至用哈勃望远镜敏锐的眼睛也只能勉强被辩认出来。根据这些数据，天文学家得出结论，宇宙中总的恒星形成速率在宇宙历史的后半期内已经发生了急剧的减慢，而且此时的恒星形成进程大多数是发生在不规则星系内。

宇宙学家迄今还不清楚是什么样的物理机制在驱动这种演化或是这些星系已演化到了什么地步。或许星系间相互作用的速率过去较高只是由于宇宙比较小而星系之间比较近的缘故。或许频繁的相互作用触发了研究人员今天看到的恒星形成过程。或者也可能是早期的星系消耗完了它们的气体储存。使恒星的形成中止因而逐渐变得几乎不可见。不管是哪种情况，这些发现还告诉科学家，要看到“普通的”旋涡星系和椭圆星系的形成过程显然是现今大多数红移观测范围所不及的；它们被大量发现于z直到1的情况下，因此要完成星系形成史，天文学家必须将搜寻工作推向深入并且还要在邻近宇宙中探查显然在消失的“蓝色暗星系”族的残留物。

迄今为止还无法直接确定在HDF观测极限处发现的大多数星系的距离。即使是对于最大的望远镜，这些星系也不可能提供足够的光来测量其红移值。因此，天文学家采用了其它技术来搜寻z大于1的星系。一种方法是依靠遥远的天体(例如射电源)作为标示物或灯塔某些星系在射电波段产生强烈的辐射。这种射电辐射据认为来源于星系内的一个活动核，例如一个隐藏的类星体。射电星系在今天并不普遍，但是它们的特征辐射可引起对宇宙遥远地方的注意。的确天空中某些最明亮的射电源都位于很遥远的地方，并且其红移值可与最遥远的类星体的红移值相比。

依靠射电星系

高能射电源通常是来自于椭圆星系，而椭圆星系现在一般被认为非常古老。因此人们期待其中形成射电源的遥远星系会演化为今天的椭圆星系。然而，更仔细的检测表明，遥远的射电星系具有很不寻常的形状和光谱特点。新的哈勃照片显示出这些特点，其中包括稀奇古怪的和复杂的形状。似乎一个强射电源能改变星系的外貌，或许还改变了它的演化过程。某些射电星系很可能是真正的原始星系。但是在目前由于这些星系看来很不寻常，因而还很难解释其特性。所以作为现代正常星系祖先的这些星系的起源和历史还只是猜测而已。

幸运的是，星系是群居的，只要发现一个星系，常常就潜伏着其它的星系，射电星系往往位于星系团内，在星系团中射电星系被许多别的更为普通的暗星系所围绕。运用功能强大的、新的观测工具和技术，我们已经找到并研究了这些平凡的伴星系。通过这样的工作已在遥远到z=2.3的一些射电源处(也就是宇宙至多为其现在年龄的30%的时候)找到了围绕这些射电源的富星系团。这些遥远星系团中已有若干个用哈勃望远镜进行了详细的研究。还用象夏威夷州凯克3.4米望远镜之类的巨大地基望远镜以及象ROAST之类的轨道x射线望远镜对它们进行了详细的研究。

一个围绕射电源3C 324t(z=1. 2)的星系团同银河系近邻的一些富星系团有着许多共同的特征。它含有在x射线波段发出亮光的炽热气体，星系团表明某些年轻星系团的质量非常之大——这对某些宇宙结构形成的理论是一个强烈的挑战。而且，围绕3C 324的星系团含有的星系与更接近银河系的星系团中的巨大椭圆星系非常相似。它们具有非常红的颜色并且有着简单的椭球形状，这些特征表明这些遥远星系团的星系中的恒星当它们发射出我们观测到的光时已经是成年恒星了。显然，这些恒星肯定是在早得多的时候(即有着某种更高的红移植)形成的。宇宙学家现在必须将他们对恒星诞生的研究工作扩展到更高的红移值处。

这些遥远星系的特征给关于宇宙自身年龄的争论火上加油，最近关于测定宇宙膨胀速率(称之为哈勃常数)的研究结果表明：宇宙可能比先前认为的要年轻一些。某些观测结果意味着宇宙可能只有不到100亿年的历史，可是天文学家已在我们银河系内发现了他们认为年龄超过100亿年的恒星——如果哈勃常数的数据和银河系内这些恒星的年龄都是正确的话则真是一个不可思议的矛盾，如果宇宙学家认为3C324附近的椭圆星系已经古老到红移值为1.2时，那么这个问题在更明显了。

探索类星体

在研究原始星系的过程中，某些天文学家把注意力转向类星体，类星体是宇宙中最亮的天体，就象灯塔一样。当一个遥远的类星体发出的光穿过太空到达地球时，它会遇到气体云。气体云在类星体的光谱中以吸收线的形式留下云块特征的印记。这些谱线的大多数都很弱并且很可能是由与正常星系无关的稀薄气体所产生的。但是，偶尔这些谱线既宽且深，并且将类星体在该波长处的辐射全部吸收。吸收体的推算质量和大小表明它们可能是围绕星系的盘或晕的一部分。强吸收线在红移值为3或更高的类星体光谱中可以很容易地发现，这表明在年轻宇宙中一定有星系存在才能产生这些强吸收线。

根据理论，年轻的星系应由氢云形成，在氢云中不断地生成许多炽热的蓝星。随着一代代的这类恒星通过其短暂的生命进行循环，核聚变过程就将氢转变成更重的元素。这些元素天文学家通常将其统一命名为“金属”。然后这些早期恒星象超新星那样爆发，并将金属喷射到周围的气体云中。在这样做的同时，它们还对气体云进行冲击和压缩，促使新的一代恒星诞生。根据这种模式，一个原星系的特征光谱将是以蓝色星光为主体并有微量金属的存在，此外，它还显示出一条强烈的赖曼α发射线，这是由炽热蓝星加热大量氢气产生的一条谱线。

从高红移年轻星系的光谱中寻找赖曼发射线已成为一种特殊的技艺，但是极少发现很好的例子。这可能是由于赖曼α辐射易被重新吸收所致。特别是在有尘埃存在的时候。从炽热恒星中产生金属的机制也会产生尘埃，因而年轻原星系可能会消除其自身的赖曼α辐射。没有特征的赖曼α发射线，要识别年轻星系或测量其红移值就可能很困难。然而，天文学家使用一些特殊的滤波器调谐来探测氢的赖曼α辐射已取得某种成功。

在围绕遥远类星体0000-263（是根据其坐标来命名的)的天区内，这项技术获得了一个激动人心的发现，给它取了一个颇为平凡的名字“G2”。它是在红移大于3处发现的第一批看来是正常星系中的一个星系。随后的光谱测定结果确定了它的距离，而进一步的观测工作在该天区的相似大红移值处又证认出若干别的星系；这些星系中的一个很可能是该类星体光谱中赖曼α辐射吸收线的产生者。深度哈勃照片提供了在宇宙大约为其现在在年龄的10%到25%之间某时的第一张清晰的星系图象。G2本身也呈现为椭球形，就是一个相当于上述3C324星系团中发现的椭圆星系那样的年轻蓝色星系，象G2这样的星系很可能是今天的椭圆星系的先驱。

幼年宇宙的迅速发展

最近，科学家们已经发现了埋藏在早期宇宙中的星系，这要归功于新的研究方法。最有效的方法不是利用赖曼α辐射而是利用所有遥远星系都具有的一种颜色特征。氢气再次成为起因，但是机理不同。在星系内和星系际空间无处不在的氢能强烈吸收比某一波长更蓝的所有紫外光。这一对年轻星系所发射的星光的效应很引人注目:在年轻星系的光谱中有一明显的“中断”，产生出不会被误解的颜色特征。通过几个滤波器观测，遥远星系在红色或绿色波长处可见但是在最蓝的照片上就看不见。

新的研究表明，这些“紫外光消失”的星系在最深的天文照片中异常普遍，它们出现在天空中的各处，仅在过去两年间系统的巡天就证认出几百个这种星系。其具有的蓝色再次表明它们正在快速地形成恒星，然而这些星系很少显示出强烈的赖曼线，这支持了这种辐射可以很容易被尘埃挡住的观点，不利用赖曼α辐射要确定红移值就非常困难。即使这样，用凯克望远镜得到的光谱现在还是显示出100多个红移值在2到3.8之间的星系，其中包括大约20个(迄今为止)HDF范围内的星系。

很明显当宇宙年龄只有二、三十亿年时一个大的星系族就已存在了。这些天体与象银河系之类的星系如何联系还很不确定。它们是难以捉摸的原始星系即今天的旋涡星系或椭圆星系的直接祖先吗?它们是否正在坍缩形成其第一代的恒星呢?

HDF照片显示出这些天体中的许多都比象我们银河系这样的星系小得多。许多这类天体都有跨度为几千光年的亮结和凝块——这些特征类似于某些邻近星系内的巨大恒星形成区。许多这类天体还有相邻的伴星系，这表明它们正在通过小星系乃至星系碎块的合并而形成。

有一种理论认为，这种大小约为银河系十分之一的碎块在早些时候就形成了，并且大多数今天的星系是通过这些较小碎块的合并才聚集起来的。在红移值z = 3.5时宇宙的平均密度为今天密度的90倍，因而相遇和合并的几率相应要大得多。通过这种频繁出现的合并过程，再加上因引力吸引产生的物质团聚作用的帮助，显系可以逐渐形成直至它们达到今天发现的典型大小和质量。

综合邻近星系的数据与通过深入的红移观测和紫外消失技术得到的结查，天文学家已经勾画出始于宇宙最初二、三十亿年间的恒星形成的整个历史。天文学家勾画出的情景表明恒星形成速率在宇宙年龄为其最初20%到30%期间随着宇宙的膨胀而急剧上升。然后在红移值为2到1之间的某处达到顶峰——这是今天的观测工作探索得仍然很差的一个时代。而在那以后恒星形成速率再次逐渐减慢。

现在，就所有星系加以平均，恒星形成速率不到其顶峰时速率的10 %。显然宇宙已进人一个平静的成熟时期。尽管这种情况仍未完成，而最新的观测可能会对这种情况加以修正，但是成熟期存在这一事实证明在过去十年间在观测宇宙学领域已取得了惊人的进步。

新的方向

天文学家在未来将如何研究高红移的宇宙?一个令人激动的可能性在于利用所谓的引力透镜效应，巨大的质量，例如稠密星系团，可能会使星系团之外的天体影象发生弯曲、放大和扭曲。在这样一个星系团后面的暗星系可能会被放大伸展成一个巨大的弧，从而可揭示出最佳望远镜所不能分辨的形态细节。

引力透镜效应还使遥远星系变得更加明亮因而更容易进行光谱分析。运用这些天然透镜可以进一步增大哈勃望远镜的分辨率，天文学家已经得到引力弧的极好照片，其中某些图象已经证实是真正的暗星系，其红移值与那些在前面讨论过的紫外消失星系的红移值相似。

现在正在制造中的望远镜和仪器还可以使本文所述的研究工作延伸到更大的样本和红移值。一套巨大的望远镜正在世界各地的高山上建造。今年二月美国宇航员再次来到哈勃望远镜上并安装了两台仪器，从而将提高该望镜的能力并打开通往宇宙的新的窗口。而欧洲红外空间天文台已于最近对HDF进行了观测，这是一个探测光的更长波段的卫星，遥远的含有尘埃的星系可能在这些波段释放出它的大部分能量。

美国正在准备它自己的红外探测器，这是一种被称作太空红外望远镜装置的先进望远镜。展望将来，国家宇航局已经开始考虑设计一种下一代太空望远镜，一种可以探测星系历史最早时期的哈勃望远镜的后继者。运用这些仪器，尤其是运用在开发新技术(这些新技术是用来寻找和研究遥远宇宙中的天体的)中所显示的不断的创造性，天文学家就能够挖掘得更深，足以描绘星系演化的特征，或许还可以揭示星系形成的秘密，至少可以揭示出这种秘密的一部分。

〔湛虹 译 郭凯声 校〕