以下文章經許可轉載自The Conversation，這是一個報道最新研究的線上出版物。
像我們銀河系這樣的星系是如何形成的？直到現在，回答這個問題時都涉及大量的推斷。
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基本的故事是，氣體聚集到大致球形的物質“光暈”的中心。然後氣體冷卻、凝結、分裂，並最終坍縮形成恆星。幾代恆星形成了星系，並隨之產生了重元素——例如碳、氧等等——它們構成了我們的元素週期表和我們熟悉的物理世界。
像我這樣的天體物理學家主要透過理論研究拼湊出這張圖景。 我們在世界上最大的超級計算機上執行數值模擬，以捕捉控制星系形成過程——引力坍縮、加熱、 輻射冷卻——的高保真過程。
為了研究許多這些過程，我們主要侷限於這種理論探究，因為我們沒有觀測它們的技術能力。但是，隨著我們見證了我們認為是“大型天文臺”的興起，情況發生了變化：美國宇航局的 哈勃太空望遠鏡，夏威夷莫納克亞山的雙 10 米 凱克望遠鏡，以及最近位於智利北部的 阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米波陣列 (ALMA)。藉助這些設施，天文學家一直在尋求測試和完善星系形成理論的原則，特別是控制星系組裝和恆星形成的過程。
我們小組釋出的新資料，基於 ALMA 的觀測，相對於之前的觀測來說，確實具有變革性。它們使我們能夠直接成像新生星系中的氣體——這是以前不可能的——從而檢驗我們對星系形成的基本預測。
物理挑戰
當我們嘗試直接觀測遙遠的星系時，主要的挑戰是來自如此遙遠距離到達地球的非常微弱的訊號。例如，我們出版物中研究的兩個星系的光線已經傳播了 120 億光年才到達這裡。這也意味著光線是 120 億年前發出的，當時宇宙只有 15 億年，星系還只是青少年。我尤其感興趣的是研究為恆星形成提供燃料的氣體，這些氣體特別難以探測。
為了解決這個挑戰，從 1986 年開始，我們小組——由已故的 Arthur M. Wolfe 領導——依靠一種間接的方法來研究遙遠的星系。我們沒有關注星系本身，而是記錄了來自距離我們更遠的類星體的光線。這使我們能夠探測前景星系中的氣體。
類星體 是由超大質量黑洞驅動的極其明亮的天體。當類星體的光穿過我們實際感興趣的星系氣體時，氣體中的原子會在明確定義的波長處散射一小部分光。正是這些所謂的類星體光譜中的吸收特徵是我們關注的焦點。氣體正在將它的特徵印在我們用望遠鏡收集到的光線上。
我們將望遠鏡收集到的光線透過一個光譜儀，這是一種使我們能夠研究亮度隨波長變化的儀器。然後我們可以推斷出在我們和類星體之間實際上存在氣體，並且我們可以定量測量氣體的各種特性。
Arthur 在加州大學天文臺的主要觀測套件中使用了光譜儀，首先是位於利克天文臺的肖恩 3 米望遠鏡上的儀器，然後在除錯後，領導了對強大的凱克望遠鏡的研究。這些資料提供了估計值，包括氣體表面密度、重元素富集、分子含量和星系的動態運動。
然而，這個觀測實驗是有限的。它幾乎沒有提供關於星系質量、大小或恆星形成的資訊——所有這些對於星系的構成都至關重要。測量這些屬性對於理解像我們銀河系這樣的星系的形成歷史至關重要。
下一代觀測
2003 年，我們報告說，當時未來的ALMA 望遠鏡將是一個真正的遊戲規則改變者，它使我們能夠直接成像新生星系中的氣體。我們需要等待十多年才能開始，因為望遠鏡正在建造中——所以我們有足夠的時間來仔細確定最佳目標並完善我們的觀測策略。
所有的等待和計劃現在都得到了回報。Arthur 的最後一位博士生 Marcel Neeleman，剛剛釋出了我們使用 ALMA 的第一個結果，這些資料非常壯觀。在這裡，與我們之前的工作相比，我們測量了來自星系本身氣體的光，這揭示了恆星形成區域的大小和形狀。而我們所看到的與我們預期的不同。
ALMA 收集人眼看不到的波長的光。我們專注於目標星系中的兩個來源：電離碳和溫暖的塵埃，它們都圍繞著新恆星的誕生地。我們能夠根據星系內電離碳發出的光建立地圖，我們首先透過我們的舊技術在吸收中檢測到該星系。
值得注意的是，星系的稠密、恆星形成氣體與類星體光譜最初揭示的氫氣大大偏移（大約 100,000 光年或 30 千秒差距）。這個距離表明，年輕的星系被大量的非電離中性氣體儲層所包圍。我們進一步認為，在吸收中檢測到的氣體可能會重新吸積回星系，併為未來的幾代恆星提供燃料。
ALMA 資料還獨特地解析了星系氣體內部的運動。我們對動力學的分析表明，氣體配置在一個大型星盤中——類似於我們的銀河系——並以大約 120 公里/秒的速度旋轉。這個速度是理論預測的此類星系的前身所具有的特徵。
最後，我們檢測到了星系中“溫暖”塵埃的排放。（當然，溫暖是相對的——在這種情況下，僅比絕對零度高出 30 攝氏度左右。）我們認為塵埃是被年輕的大質量恆星加熱的；我們估計該星系正在以每年超過 100 個太陽的速度形成恆星，這是一個驚人的和早熟的速度。
這些資料證明了 ALMA 在發現和剖析像我們這樣的星系的前身方面的力量和潛力。它們對於完善我們對星系在空間和時間上的積累的理解將是無價的。
儘管社群中的許多人對 ALMA 持有一些保留意見（考慮到其巨大的成本），但現在對我來說，很明顯回報將是非凡的。ALMA 的研究已經在原行星盤的發現中得到了回報，行星從原行星盤中形成，並解開了恆星形成過程的隱藏秘密。ALMA 將繼續極大地推進我們對像銀河系這樣的星系如何形成的理解。
本文最初發表於The Conversation。閱讀原文。