最近，宇宙演化史上的一個(gè)巨大空白終于被天文學(xué)家填補(bǔ)上了。利用多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，他們驚喜地發(fā)現(xiàn)了一個(gè)隱藏的大型星系群。宇宙從誕生至今已經(jīng)有 138 億的歷史，而這些大型星系卻在 118 億年之前就已經(jīng)存在了。這是天文學(xué)家第一次證實(shí)，在宇宙生命周期的頭 20 億年時(shí)間里有如此龐大的星系群，它們的存在與超大質(zhì)量黑洞和暗物質(zhì)的分布密切相關(guān)。

　　這是前所未有的發(fā)現(xiàn)，其數(shù)量之多與目前對(duì)宇宙那段時(shí)期的演化模型相悖。然而，為何我們直到現(xiàn)在才發(fā)現(xiàn)如此龐然大物呢?這是因?yàn)?，這些星系發(fā)出的光極其微弱，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)它們也束手無(wú)策。研究人員將新的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在了最近的《自然》雜志上，它表明，或許有 90% 的大型星系都被我們錯(cuò)過(guò)了。這樣的結(jié)論無(wú)疑將激發(fā)大量的進(jìn)一步研究。

　　對(duì)天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，要證明天空中一個(gè)極其微弱的光點(diǎn)實(shí)際上是一個(gè)遙遠(yuǎn)的星系絕非易事。他們需要使用一些技巧，比如一種依賴于星系發(fā)出的光譜的技巧。

　　我們知道，恒星會(huì)放出非常豐富的光，但形成了恒星的氫氣所吸收的波長(zhǎng)要短于紫外線波段的一些特定部分，因此形成一個(gè)獨(dú)特的截止(cutoff)光譜。在光線抵達(dá)觀測(cè)者之前，光線會(huì)因?yàn)橛钪娴呐蛎浂焕礁L(zhǎng)的波長(zhǎng)，從而造成紅移。這樣一來(lái)，截止光就會(huì)被推移到光譜中別的位置，比如被推到可見(jiàn)光波段或近紅外光波段。通過(guò)尋找這種特征，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個(gè)當(dāng)宇宙誕生還不到 20 億年時(shí)就放出光芒的星系。

　　不過(guò)，這項(xiàng)技術(shù)存在一個(gè)問(wèn)題，它可以對(duì)更小、更年輕的星系非常敏感，但是對(duì)更大、更老的星系卻往往視而不見(jiàn)。其中一個(gè)原因是，較大的星系往往被塵埃所籠罩，因此與較小的星系相比，它們反而更加模糊。

　　而且這些早期的更大、更成熟的星系含有更多的超新星，超新星爆炸所產(chǎn)生的塵埃會(huì)吸收大部分的紫外線，從而會(huì)抹去這種光譜截止?？梢哉f(shuō)，早期的大質(zhì)量星系在可見(jiàn)光波段上對(duì)地球上的觀測(cè)者來(lái)說(shuō)是不可見(jiàn)的。

　　在新的研究中，他們找到了一種能將塵埃這個(gè)宿敵變成盟友的方法，從而發(fā)現(xiàn)那些失蹤星系的蹤跡。吸收星光的塵埃一定會(huì)升溫并輻射出更長(zhǎng)的紅外波長(zhǎng)，而這正是研究人員可以尋找的跡象。

　　他們將研究的范圍限制在哈勃望遠(yuǎn)鏡曾以極高的靈敏度拍攝過(guò)的三塊小小的天空區(qū)域，然后利用斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡，在中紅外波段對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行掃描。

　　斯皮策發(fā)現(xiàn)了 63 個(gè)候選星系，這就是這些來(lái)自東京大學(xué)的天文學(xué)家最早開(kāi)始懷疑這些星系存在的依據(jù)。

ALMA 的部分天線陣列。

　　但是，斯皮策的缺點(diǎn)是它缺乏足夠高的空間分辨率來(lái)對(duì)這些星系進(jìn)行確認(rèn)。因此，他們又轉(zhuǎn)向了位于智利北部沙漠中的ALMA(阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠(yuǎn)鏡)的 66 個(gè)天線陣列。他們認(rèn)為，亞毫米波段是觀察早期宇宙塵埃的最佳波段，因此推斷 ALMA 將會(huì)是觀測(cè)這類天體的最理想設(shè)備。

　　他們利用 ALMA 在較長(zhǎng)的遠(yuǎn)紅外光波下對(duì)每一個(gè)候選星系進(jìn)行了分析研究，最終證實(shí)了 39 個(gè)候選星系。通過(guò)與之前已經(jīng)拍攝的照片對(duì)比，他們也證實(shí)了哈勃望遠(yuǎn)鏡是看不到這些古老星系的，因此，他們將這些星系歸類為“H-dropout”，意思是“被哈勃遺漏的信號(hào)”。

ALMA 能看到的古老星系(右)，而哈勃太空望遠(yuǎn)鏡卻無(wú)法看到(左)。

　　天文學(xué)家感興趣于研究這 39 個(gè)星系如何有別于我們的銀河系。從 ALMA 和其他望遠(yuǎn)鏡收集的數(shù)據(jù)來(lái)看，新發(fā)現(xiàn)的這些巨大星系平均約為 1 萬(wàn)億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。如果我們的太陽(yáng)系在這樣一個(gè)星系中，那么我們?cè)谇缋实囊雇硌鐾强諘r(shí)將會(huì)看到一些與銀河系模式截然不同的東西。

　　首先，夜空會(huì)更加壯觀，更大的恒星密度意味著會(huì)有更多恒星離我們很近，它們?cè)谝箍罩袝?huì)更大更亮。但是，大量的塵埃又會(huì)導(dǎo)致那些遙遠(yuǎn)的恒星更加模糊、更加不可見(jiàn)。因此映入我們眼簾的，很可能是在遠(yuǎn)處是一個(gè)巨大的黑暗空間背景，眼前有許多的明亮的恒星。

　　所以，這些巨大星系的發(fā)現(xiàn)意味著什么?星系越大，其中心的超大質(zhì)量黑洞也就越大。所以，研究這些星系及其演化將能揭示更多關(guān)于超大質(zhì)量黑洞的演化秘密。另外，巨大的星系也與暗物質(zhì)的分布密切相關(guān)，它們?cè)谒茉煨窍档慕Y(jié)構(gòu)和分布上起著重要作用。

　　這樣的觀測(cè)結(jié)果向主流理論發(fā)起了挑戰(zhàn)。因?yàn)闆](méi)人能想到在宇宙的早期可以如此高效地制造出如此巨大的星系。許多天文學(xué)家認(rèn)為，現(xiàn)有的對(duì)星系演化的建模仍必須依賴于恒星形成的近似模型，這或許是現(xiàn)有理論模型的問(wèn)題所在。

　　但由于這是首次發(fā)現(xiàn)這樣的星系群，因此還需要更多的探索才能意識(shí)到它們究竟意味著什么，未來(lái)或許還會(huì)有更多的驚喜。新的觀測(cè)結(jié)果證明了 ALMA 的力量，它們?cè)谶h(yuǎn)紅外波段的確具有前所未有的空間分辨率。

　　1998 年，天文學(xué)家曾用夏威夷的一個(gè) 15 米長(zhǎng)的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡(詹姆斯克拉克麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)早期星系。但由于分辨率太之低，因此花了 14 年時(shí)間才確定這個(gè)光源。而現(xiàn)在，ALMA 只需要不到 2 分鐘的時(shí)間就可以鎖定每個(gè)新的星系，真的是十分高效了。

　　在紅外波段的天文觀測(cè)即將帶來(lái)一場(chǎng)新的天文學(xué)革命，現(xiàn)在，天文學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)始翹首企盼，期待像詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)這樣的天文臺(tái)將能為我們揭示一個(gè)怎樣奇妙的宇宙。
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