徐令予：星系的演化史和ALMA的新发现
【文/ 观察者网专栏作者 徐令予】
仰望夜空，银河星系伸展在天幕之上，星系中千千万万颗星星组成了一个亮白色的光环绕着中心旋转，这些星星又各有其行星绕着旋转，我们生活的家园太阳系就是这其中之一。当我们为银河星系的宏伟美丽惊叹不已时，禁不住想知道：宇宙中的这些星系究竟如何形成？它们来自何处又奔向何方？
关于早期宇宙的大多数理论有两个假设：
1）宇宙中充满了氢气和氦气。
2）有些地区比其他地区稍微密集一些。
从这些假设出发，天文学家认为，较密集的区域会稍微放慢膨胀速度，导致氢气和氦气累积成原始云团。在这些云团中，万有引力引起气体和尘埃压缩和塌陷，并形成众多像太阳般的第一代恒星。这些早期的恒星燃烧迅猛，快速消失，成为球状星团。球状星团中间被引力进一步压缩并形成了旋转盘。旋转盘吸进更多的气体和尘埃形成了星系盘，星系盘中又生成更多新的恒星，而在它外围留下的是球状云团。这大概就是宇宙中所有星系——包括我们这个生于斯、长于斯、歌哭于斯的银河星系——的生长发育史。
中国远古的神话“盘古开天”就说：“天地浑沌如鸡子……”，这与星系生成的假设倒也有那么一些吻合。当然关于星系生成的现代学说毕竟不是神话，它是在深入的理论分析和大量的实验观测的基础上逐步发展完善起来的。
现代的巨型高速计算机真的非常给力，天文学家依靠它们作了大量的模似计算。按照理论模型，从宇宙的起始状态出发通过模拟计算，把演算的结果与今日满天的各种星系现状作比较，从而不断修正完善理论模型。
一切假设和理论最终必须接受实验的考验，我们不仅要仔细观察自已的银河星系的结构和运动，更重要的是观察银河星系外面的其它星系。有些河外星系远离我们都在数亿光年以上，光线从它们那里出发到达我们地球都要数亿年的时间。也就是说，我们今天看到的河外星系其实是它们数亿年以前的真实模样。通过观察这些遥远的河外星系，我们就能深入了解这些星系发育生长的早年历史。
假如离我们地球2000光年外有一颗行星，又假如那里生活着高度文明的外星人，使用高科技观察设备，他们现在应可看到二千年前地球上发生的故事。说不定他们可以看到被困垓下的西楚霸王项羽的窘境，看看他究竟是如何与虞姬诀别的。当然要看到这样的细节会有许多技术上的困难，但是看看2000年前东亚大陆上有没有雾霾也许不会有太大的问题。
总之，通过观察遥远的河外星系，我们如同在翻阅星系的历史画卷，从中可以看到星系是如何逐步形成和演化的。观察越为遥远的星系越为重要，因为这让我们可以认识星系萌芽期的状况。
如今天文学家已经把目光投向了120亿光年外的星系。众所周知，宇宙大爆炸开始于大约137亿光年，因而我们今天观察研究的这个星系是在宇宙开始后大约15亿年前的状况，即是宇宙演化时间轴上离起始点仅8%的位置上，那是星系生成演化史的婴儿期，这对于我们认识和理解星系的形成殊为关键。
但是观察120亿光年外的星系十分困难，这些星系的光线传播到我们这里变得非常非常的微弱，更要命的是在它背后还有十分明亮的类星体[1]，这使对星系的观察犹如在太阳光照射下寻找萤火虫。因而直接观察这样遥远的星系几乎就是不可能。
到目前为止，对遥远星系的观察研究都是采用间接的手段，天文学家通过对躲在这些星系后面的类星体的光谱分析来间接推断星系内部的组成。类星体的光线在穿透目标星系时，某些波长的光波会被星系中的气体吸收，通过类星体光谱的分析比较，我们就可知道星系形成早期内部的气体成分。
但是采用间接方法观察研究遥远星系得到的信息毕竟有限，天文学家企图直接观察收集这些遥远星系内部信息的努力从来没有停止过。2003年在智利高原上开始建造的世界最先进的综合孔径射电望远镜ALMA让天文学家看到了希望的曙光。
由沃尔夫教授（Arthur M. Wolfe）领导的团队从1986年起，就依靠间接的方式研究遥远的星系，积累了丰富的数据。他们长期的规划和等待终于得到了回报，沃尔夫的关门弟子——他的最后一位博士学生Marcel Neeleman——通过ALMA得到的最新数据令人备感振奋，让我们对星系的形成和演化有了更直接、更深入的了解。
研究人员利用综合孔径射电望远镜ALMA收集人眼不可见的毫米/亚毫米波长的电磁波。他们专注于遥远目标星系的两个电磁辐射源：电离碳和暖尘埃，这些多是星系的核心区域——众多恒星的诞生地——常有的物质。把这些直接收集得来的新数据与过去间接收集到的旧数据汇合在一起，出人意料的结果立刻呈现到人们的面前。
图一
图一右下角红色区域就是类星体穿越星系后的光斑，通过光谱分析，显示出该处有星系的中性氢气存在，它们吸收了类星体光线中特定的谱线。左上角绿色区域是电离碳电磁辐射，蓝色区域是暖尘埃电磁辐射，这块区域是星系中生成众多恒星的核心部分（又称星系盘）。而这核心部分与星系外围的气体云团之间足有十万光年的距离。也就是说星系生成的早期是包围在一个巨大的中性氢、氦气团之中。
图二是对数据作艺术加工后得到的早期星系组成的示意图。图上的中间部份是星系盘，这是星系中无数恒星生生灭灭的核心区域，早期的星系又包围在巨大的氢、氦气团之中，左上角的一个小亮点就是星系背后的类星体。这个气团的尺寸远大于星系盘，这些气团在以后的岁月中会被吸收进星系内部，成为星系发育成长的燃料。我们的银河系应该也就是这样演化过来的。
图二
ALMA数据还独特地揭示了星系中气体云的内部运动。动力学的分析表明，星系的气体云已形成巨型转盘，与我们的银河系十分相似，并以大约120公里/秒的速度旋转，这与星系形成期的一些理论预测相吻合。
在ALMA的观察中同时检测到了星系中“暖”尘埃的热辐射（当然这个暖是相对的，在这里，只是绝对零度以上约30个摄氏度）。有理由相信，这些星系尘埃是被刚形成的年轻的大型恒星所加热，估计该星系每年形成的恒星数目超过100个，这是一个十分惊人的速度，星系早期发育生长过程非常活跃。
ALMA为星系早期生成发展的研究作出了突出贡献，ALMA大型综合孔径射电望远镜提供的高角分辨率和高灵敏度使得对120亿光年外遥远星系的直接观察研究成为可能。
由于射电望远镜工作的波长比可见光大许多倍，一般而言，射电望远镜的角分辨率远差于光学望远镜。增大主反射镜的直径，可以在一定程度上改善射电望远镜的角分辨率，但是制作巨大的主反射镜受到工程技术的制约，即使像贵州500米直径的FAST单天线射电望远镜的角分辨率对于遥远的河外星系研究也是无能为力的。
“山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村。”七十年代由英国开始研制的综合孔径射电望远镜可以大幅提高系统的角分辨率和接收灵敏度。总的思路是“众人拾柴火焰高”，使用分散的多台射电望远镜同时接收射电信号，然后把信号汇总交计算机分析比较，产生高分辨率的天体射电幅射图象。这种发动群众、依靠群众的思维方式和处事原则才具有真正的普世价值。整个ALMA系统的角分辨率比哈勃太空光学望远镜还要强五倍！
The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array（ALMA 阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列望远镜）是世界上功能最强大、技术最先进的综合孔径射电望远镜系统。这个主要由欧美及智利等国家和地区合作建设的射电望远镜阵列共有54台12米直径和12台7米直径的射电望远镜组成，散布在南美智利的5千米的高原平台上，最大间距约16千米。它们各自的位置可以根据研究项目作相应的调整。整个系统的建设花了十多年，总投资14亿美金，被誉为21世纪的金字塔工程。
ALMA综合孔径射电望远镜正式运行才短短两三年的时间，牛刀小试已经成绩斐然。假以时日，采集到更多数据后，ALMA很有可能会给我们带来巅覆性的科学成果。
人类对宇宙起源的好奇和探索永远不会满足，为了科学探索而开发研制各种高精尖设备的努力也永远不会停止，星系生成的研究和ALMA的建造就是最好的例证，我想这才是我们人类文明真正值得骄傲和自豪之所在。
[1]类星体是类似恒星天体的简称，又称为似星体、魁霎或类星射电源，与脉冲星、微波背景辐射和星际有机分子一道并称为20世纪60年代天文学“四大发现”。长期以来，它总是让天文学家感到困惑不解。
类星体是人类观测到的非常遥远的天体，高红移的类星体距离地球可达到100亿光年以上。类星体是一种在极其遥远距离外观测到的高光度天体，80%以上的类星体是射电宁静的。类星体比星系小很多，但是释放的能量却是星系的千倍以上，类星体的超常亮度使其光能在100亿光年以外的距离处被观测到。据推测，在100亿年前，类星体数量更多。
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