遠古星系團為早期宇宙提供線索

就像樹木、人類和恆星一樣，星系也有生命週期。當足夠的氣體和恆星結合形成一個連貫的結構時，一個星系就誕生了——也許它最初是一團氣體，緩慢地聚集質量，或者它可能由兩個或多個雲團的碰撞形成。無論哪種方式，一旦形成，星系的一生都在製造恆星，利用其氣體庫來創造微小的熔爐，在其中核聚變燃燒元素以釋放光和能量。一個被認為是“活著的”星系在紫外光中強烈發光，這是年輕、明亮和熾熱恆星的訊號。隨著這些恆星老化，它們的光從熾熱的藍色變為涼爽的黃色或紅色。當一個星系主要包含黃色和紅色恆星，並且幾乎不發出紫外光時，我們認為它已經退休，或者“紅而死”。最終，如果質量足夠大，它會變成一個球狀體，稱為橢圓星系，它可能永遠不會再次誕生新的恆星。

在我們周圍的附近空間——比如說，在3億到6億光年內——天文學家看到死亡或垂死的橢圓星系聚集在一起，形成巨大的組合，稱為星系團。這些星系團保存著有史以來形成的最巨大星系的化石遺骸——成百上千個星系在彼此之間緩慢地跳舞，在引力作用下永遠束縛在它們永久的墳墓中。

但是星系團給天文學家帶來了一個難題。大多數星系團似乎在宇宙只有當前年齡的一半時就已經建立起來了。這意味著這些星系團內的星系一定在宇宙歷史的早期就誕生了它們所包含的大部分恆星。看來這些星系成長到銀河系或更大的規模，但速度卻快了多達100億年。年輕的星系團，稱為原星系團，這些星系在其中形成，一定是非常劇烈和活躍的地方，充滿了以驚人速度產生恆星的星系。我們目前對物理學的理解還不能完全解釋它們是如何如此迅速地變得如此巨大的。

支援科學新聞報道

如果您喜歡這篇文章，請考慮支援我們屢獲殊榮的新聞報道，方法是 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠講述關於塑造我們當今世界的發現和想法的有影響力的故事。

直到最近，天文學家才擁有必要的望遠鏡工具來找到原星系團，它們非常遙遠（它們的光通常需要 travel 100億年或更長時間才能到達我們），並且經常將其最巨大的星系成員隱藏在塵埃後面。在過去的幾年裡，科學家們發現了兩個原星系團，它們為了解星系團的生長提供了一個前所未有的視窗。後續觀測表明，它們實際上是活躍且巨大的——如此巨大以至於它們挑戰了我們對星系形成的理解。如果我們能夠解開星系團提出的謎題，我們可能會重新定義我們對宇宙演化的理解。

尋找星暴

最常見的恆星形成星系型別每年產生大約一顆到幾十顆太陽質量的恆星。這些通常被稱為正常恆星形成星系。銀河系就屬於這一類。正常恆星形成星系是隱喻的烏龜，在 100 億年左右的時間裡緩慢而穩定地形成恆星，保持藍色和盤狀，並以悠閒的速度耗盡其新鮮氣體（新恆星的燃料）的儲備。

每年產生數百到數千顆恆星的星系被稱為星暴星系。這些是星系演化中的兔子。在最多可能 3 億年的時間裡，這些星系爆發式地出現，儘可能快地形成儘可能多的恆星，並在宇宙眨眼之間耗盡燃料。星暴星系生活迅速，死得也早。天文學家認為，它們是我們今天在星系團中看到的巨大、死亡的橢圓星系的最佳候選祖先。

如果我們在太空中看得足夠深，我們就會發現充滿星暴星系的原星系團——未來的死亡星系團。然而，事實證明，在原星系團中尋找星暴星系具有挑戰性。直到最近，我們大多數用於探測星系團的方法都是為了優先選擇垂死的橢圓星系或瀰漫在它們之間空間中的熱氣體而開發的。橢圓星系和熱星系團內氣體出現在星系團演化的後期階段，因此我們需要新的方法來找到它們更藍、更活躍的恆星形成嬰兒對應物。更困難的是，原星系團通常在天空中分佈很廣，因為星系尚未完全聚結成我們今天看到的密集結構。當我們最著名和最精確的望遠鏡的相機跨度只有鉛筆的寬度時（例如哈勃太空望遠鏡），我們無法拼湊出在天空中的距離比我們望遠鏡的視場大 100 倍以上的原星系團拼圖碎片，這並不奇怪。

其他搜尋方法，例如系統地survey大片天空，往往會錯過星暴星系，因為它們經常被塵埃遮蔽。星暴中異常的恆星生長產生了過量的重金屬，這些重金屬是在恆星的爆炸性死亡中產生的。一旦分散到太空，鐵、碳和金等重元素碰撞形成複雜的塵埃分子，這些分子會吸收和遮蔽紫外光和可見光。想想野火季節變紅的太陽：塵埃會使較熱、能量更高的藍光變暗，同時讓較紅的光線偷偷溜過。結果是，當用光學和紫外望遠鏡觀察時，星暴星系幾乎是不可見的，但當在較冷的紅外光譜中觀察時，它們像燈塔一樣閃耀。

所有這些都意味著，直到最近，用於尋找和研究原星系團的工具通常會錯過關鍵的星系群。從 1990 年代後期到 2010 年代初期，亞毫米波通用使用者測輻射熱計陣列、赫歇爾太空天文臺、南極望遠鏡和斯皮策太空望遠鏡透過揭示數百萬個以前不可見的星系，徹底改變了我們對被塵埃遮蔽的宇宙的理解。大約在 15 年前，天文學家開始研究塵埃星暴的聚集特性，他們發現這些強大的星系優先居住在其他大型和活躍的恆星形成星系附近。但是技術水平仍然落後於我們的雄心壯志；紅外和毫米波望遠鏡的解析度仍然很低，以至於多個星系會混合成一個大的物體，即使這些星系相距遙遠，但位於相同的視線方向上。紅外宇宙的時代已經到來，但我們需要更清晰、更靈敏的儀器來充分理解我們所看到的東西。

最終，在 2013 年，阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米波陣列（ALMA）問世了。這個位於智利沙漠高處的近 70 個射電天線集合作為一個單一的望遠鏡協同工作，解析度比赫歇爾望遠鏡高出 600 倍。ALMA 改變了天文學的許多角落，包括星系演化。（我認識幾個人身上紋有獻給這架望遠鏡的紋身。）該天文臺非常擅長探測整個恆星形成星系中被塵埃覆蓋的氣態恆星育兒室。藉助它，天文學家發現了既令人震驚又令人興奮的系統。

令人驚訝的巨獸

2018 年，兩個獨立的 天文學家團隊使用 ALMA 研究了他們能在遙遠宇宙中找到的最亮的紅外物體。每個團隊都發現了一個不同的塵埃星暴星系集合，這些星系以前混合在一起，在第一代紅外望遠鏡進行的巡天調查中隱藏為一個星系。SPT2349-56，一個由 14 個星系組成的星系群，以及遙遠紅色核心（DRC），一個由 10 個星系組成的星系群，都被發現在宇宙的不同角落生長和繁榮，當時宇宙只有當前年齡的 10%。我們看到這兩個正在萌芽的原星系團都經歷了極端的星暴——每個星系群每年誕生的恆星質量幾乎是銀河系的 10,000 倍——體積只有我們本星系群（包括我們自己的星系加上仙女座星系和幾個較小的星系）的一半大小。對原星系團的各個氣體庫的估計告訴我們，如果這些星系繼續以如此過度的速度形成恆星，它們將在短短幾億年內耗盡燃料供應，併成為完全成熟的星系團中無處不在的巨大紅色死亡橢圓星系。此外，它們將在現代之前完成這個週期。

這兩個被塵埃遮蔽的原星系團核心的發現為研究星系團的生長提供了一個有希望的新視角，但我們仍然遺漏了重要的一部分。 “稱重”星系的最好方法是測量其成年恆星群發出的光，這需要來自整個電磁頻譜的資料。但直到最近，所有對生活在宇宙前 20 億年的原星系團的觀測都是在狹窄的能量頻譜（光學或紅外）內進行的。然後，在 2018 年 9 月，我的同事和我第一次能夠觀察到來自一個被塵埃遮蔽的星暴原星系團的紫外線和可見光發射，這個原星系團是在 120 億年前看到的：遙遠紅色核心。使用哈勃太空望遠鏡、雙子座天文臺和斯皮策太空望遠鏡，我們捕獲了更深入地瞭解這個結構的過去和未來所需的多波長視角。

等待哈勃太空望遠鏡的資料可能會讓人感到虎頭蛇尾。您知道您的天空區域計劃在某一天進行觀測，但您不知道您何時真正收到資料：您只需要等待電子郵件通知告訴您檢查存檔即可。在我們原星系團觀測計劃安排的那天，我感覺每兩分鐘就檢查一次電子郵件。當到了睡覺時間，但我的收件箱裡什麼也沒到時，我很失望。

第二天早上，我不顧伴侶的抗議，立刻從床上滾下來，直接走到電腦旁，看看資料是否最終到了。幸運的是，它在午夜過後幾個小時送達了。我開始下載，像一個等待輪到自己拆禮物的孩子一樣焦躁不安地跳舞。最後，我打開了影像。沒有什麼語言可以形容成為第一個瞥見宇宙中其他人從未見過的部分的感覺。我感到有必要花點時間檢查該區域中的每一顆恆星和星系，以承認它們的存在。最終，我回過神來，放大了我感興趣的天空區域。我看到了令人驚奇的東西。

這片小小的空間區域是暴力的。那裡至少一半的星系形狀非常混亂，它們一定是最近撞到了附近的其他星系，或者仍然在碰撞過程中。當我們測量這些星系中成年恆星的數量時，我們發現了一些令人難以置信的東西——如此令人難以置信，以至於它可能對我們目前對宇宙的理解構成問題。早在這個早期，一些遙遠紅色核心星系形成的恆星數量已經是我們銀河系的三倍——但時間卻只有一小部分。然而，基於已知物理學的宇宙模擬很難在如此早期產生如此巨大的星系。模擬與觀測之間的這種不一致加劇了我們自發現塵埃星暴星系以來就已知的問題。模擬星暴中看到的恆星形成的極端速度和密度很困難，因為物理學預測模擬星系要麼應該將自己撕裂，要麼升溫到如此程度，以至於它們會吹走所有生長到足以與我們今天看到的情況相匹配的新鮮氣體。

原星系團作為一個整體提出了另一個問題：它令人震驚地巨大。當我第一次測量它時，我簡直不敢相信我的數字。我敲開我部門的門，以確保我的計算是正確的。兩週後，我將結果帶到一個會議上展示給我的合作者。一位說：“你的程式碼中一定有錯誤。”另一位問：“你確定你沒有在某個地方重複計數嗎？”（事實證明我的程式碼中確實有一個小錯誤，但這不足以解釋巨大的測量結果。）最終，在仔細檢查我的計算並嘗試不同的方法後，這些測量結果變得無可辯駁。遙遠紅色核心似乎對於我們的宇宙來說太大了。我們不知道它是如何在如此短的時間內變得如此巨大的。

為了更好地瞭解它的體積以及恆星形式的質量有多少，我們專注於這個原星系團周圍的暗物質暈的大小。暗物質是任何給定星系和整個宇宙中最豐富的物質形式。所有星系和星系團都被認為被這種神秘物質的斑點或暈環繞。儘管暗物質是不可見的且知之甚少，但暗物質留下了清晰的引力訊號。有多種方法可以推斷給定天文物體中暗物質的數量，而要涵蓋這些方法還需要另一篇文章（或五篇）。

可以這麼說，我們權衡了遙遠紅色核心的暗物質成分，根據我們的模擬，它包含的暈質量幾乎是宇宙歷史那個時期允許的最大暈質量。這種明顯的暗物質過量意味著 DRC 可能非常大，以至於它違反了我們所理解的宇宙定律。當我們快進我們的模擬以估計 DRC 在演化 120 億年到今天之後可能看起來的樣子時，我們發現它可能會增長到比已知的最大星系團 El Gordo 更大。儘管我們的暗物質計算有健康的誤差範圍（這意味著它可能被高估了），但當我們考慮到我們的觀測僅捕捉到可能的星系團成員的一小部分百分比時，這種差異看起來更糟；DRC 中可能還有更多的星系只是超出了我們望遠鏡的狹窄視場，因此未包含在我們的計算中。隨著我們繼續survey和研究這個原星系團，這種不匹配很可能會加劇。

重新思考時間線

我們對遙遠紅色核心的調查，以及其他潛在的類似原星系團的發現，迫使我們重新考慮我們對星系團形成的理解。由於星系團中的星系很可能是最早的星系之一，我們必須確定如此巨大的物體是如何如此迅速地形成的。這樣做不僅僅是限制最早星系內部恆星形成的物理機制和化學性質的問題。這也是調查導致暗物質在引力作用下坍縮成暈，播種星系的條件的時間的問題。星系和結構是否有可能比我們想象的更早地開始在宇宙中形成？這對我們理解第一批元素的形成意味著什麼？這些星系是否有可能鍛造出合適的成分來建造恆星周圍的宜居行星——並且可能孕育了宇宙中最早的一些生命形式？

這些問題中的一些可能在我有生之年無法得到解答，但我和其他天體物理學家正在努力快速地解決其他問題。我們已經在對這些已知的原星系團進行更多跨電磁頻譜的觀測。我們還在開發新的方法來識別大量塵埃原星系團候選者。透過更多的例子，我們或許能夠確定像遙遠紅色核心這樣的原星系團是所有星系團都要經歷的常見但以前不可見的星系演化階段的例子，還是僅僅是罕見現象。觀測者和理論家正在形成新的合作，以瞭解在宇宙歷史的早期，條件在何時才適合形成類似於我們已經發現的那些原星系團——空間中充滿巨大恆星形成率和超大質量的過度密集區域。

測試我們物理模型的最佳方法是觀察極端情況。在未來幾年，這些巨大的特殊星系集合將考驗人類對宇宙的掌握程度。