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【文/ 觀察者網專欄作者 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亮白色的光環(huán)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?yōu)殂y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？

關于早期宇宙的大多數(shù)理論有兩個假設：

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。

從這些假設出發(fā)，天文學家認為，較密集的區(qū)域會稍微放慢膨脹速度，導致氫氣和氦氣累積成原始云團。在這些云團中，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。球狀星團中間被引力進一步壓縮并形成了旋轉盤。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恒星，而在它外圍留下的是球狀云團。這大概就是宇宙中所有星系——包括我們這個生于斯、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么一些吻合。當然關于星系生成的現(xiàn)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(fā)展完善起來的。

現(xiàn)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(tài)出發(fā)通過模擬計算，把演算的結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(shù)億光年以上，光線從它們那里出發(fā)到達我們地球都要數(shù)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(shù)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(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，使用高科技觀察設備，他們現(xiàn)在應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(jié)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，宇宙大爆炸開始于大約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后大約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，這對于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采用間接的手段，天文學家通過對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。

但是采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(shù)據(jù)。他們長期的規(guī)劃和等待終于得到了回報，沃爾夫的關門弟子——他的最后一位博士學生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。他們專注于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(qū)域——眾多恒星的誕生地——常有的物質。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。