夜空中星系如沙粒般繁多，這總是讓我感到震驚和著迷。哈勃超深空場是人類有史以來製作的最靈敏的光學影像之一，在一個大約相當於滿月面積 1/100 的區域內捕捉到了大約 10,000 個星系。按此密度推算到整個天空，則總共約有 2000 億個星系。而這僅僅是最明亮的星系；真實的數目可能要大得多。所有這些星系是如何形成的？這個問題啟發我成為一名天文學家，並且一直是我的研究生涯的重點。多年來，我對星系的幼稚看法已經改變。從數量上看，大自然似乎非常擅長製造星系。並非如此。如果你把今天星系中所有可見物質加起來，你得到的只有大爆炸創造的總量的十分之一左右。其餘的物質在哪裡？為什麼它們沒有最終進入星系？這是當今天文學界最大的兩個謎團。
這種缺失的物質不同於暗物質和暗能量。暗物質和暗能量是成分不明的物質，它們加起來佔宇宙總質量的 96%。就星系數量而言，問題在於本應被充分理解的 5%。宇宙的這一部分是正常物質，由與我們的身體和我們周圍的一切相同的物質構成——主要是重子，即包括質子和中子的粒子類別。其中大部分物質的缺失是一個謎中之謎。不僅宇宙中的大部分物質是黑暗且無法解釋的，而且在少量正常物質中，只有一小部分被解釋清楚。
另一種說法是，星系的形成過程必然是低效的。這就像一個農民播種了一整片田地的種子，但只有十分之一發芽了。天文學家多年來一直在努力解釋這怎麼可能。新興的答案要求我們不僅要修正我們關於星系如何形成的觀念，還要修正我們對“星系”甚至是什麼的觀念。人們不期望理解奇異型別的物質；更令人不安的是，我們仍然不理解世俗的物質。
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親愛的，我們丟失了半個宇宙
幾十年來，觀測者一直在拼湊宇宙歷史的時間線，描述宇宙在不同演化階段的內容。在這個過程中，逐漸顯而易見的是，宇宙誕生之初存在的重子比我們今天可以直接探測到的要多。
最初的重子物質的數量實際上相當容易估計。此資訊被編碼到來自大爆炸的遺蹟輻射中：宇宙微波背景輻射。威爾金森微波各向異性探測器和普朗克空間天文臺等最先進的實驗探測到了這種輻射溫度的微小波動，這些波動的分佈反映了星系尚未形成時宇宙的重子密度。一個獨立的驗證來自氦、氘和鋰丰度的測量。這些元素是在宇宙最初的幾分鐘內合成的，相對數量取決於重子物質的總量。這兩種技術都表明，重子物質的總量應占今天宇宙質量的 5% 左右。
最初，所有重子都以熱氣體的形式充滿太空。在初始物質密度較高的區域，引力導致氣體聚整合越來越稠密的雲團，這是星系形成的起點。天文學家透過分析來自明亮遙遠類星體的光線，探測到了早期宇宙中的這種氣體庫。類星體是什麼現在並不重要；只需將它們視為極其明亮的光源，為星系際空間中漂浮的原始氣體提供背光。當來自類星體的光線穿過一團冷的、中性的氫氣雲時，氣體會吸收一些光子。由於氣體只吸收特定能量的光子，因此它會在類星體的光譜中留下一個明顯的下降，位於一個非常特定的波長：天文學家稱之為吸收線。
來自類星體的一束光線在其穿越宇宙的旅程中可能會穿過數百個這樣的雲團，每個雲團都可能在略有不同的波長處留下吸收線，具體取決於雲團與觀測者的距離。透過將這些下降加起來，我們可以計算出有多少重子被鎖定在這些雲團中。結果表明，早在宇宙大爆炸後 50 億年，或大約 90 億年前，最初分配的重子仍然可以被解釋清楚。大多數重子漂浮在星系際空間中，尚未坍縮成發光的星系 [參見 《最空曠的地方》，作者：埃文·斯坎納皮科、帕特里克·珀蒂讓和湯姆·布羅德赫斯特；《大眾科學》，2002 年 10 月]。
在隨後的 90 億年中，我們今天看到的大多數星系都形成了，它們是由那巨大的原始氫氣庫形成的。一旦進入星系內部，重子就會被重新處理並呈現出各種形態：恆星、恆星遺蹟、中性氣體（包括原子和分子）、電離氣體、塵埃、行星、人類。我們可以透過測量它們在整個電磁頻譜中的輻射來審計這些不同形態的重子的質量。例如，可見光和近紅外光揭示了恆星的質量；獨特的無線電發射線標誌著中性原子氫的數量；紅外光揭示了星際塵埃。透過這些方式，天文學家對我們周圍所有星系中重子的所有不同階段進行了普查，而這裡就出現了差異：總數僅佔早期宇宙中存在的重子初始庫存的 10%。據推測，它們並沒有簡單地消失；它們仍然存在於星系之間的廣闊空間中。但是為什麼我們看不到它們呢？
關於 WHIM
天文學家知道在哪裡可以找到一些星系際重子。被稱為星系團的稠密星系群充滿了彌散的電離氣體或等離子體。星系團強烈的引力場將離子加速到高速，使等離子體的溫度達到數億開爾文，足以使其發出 X 射線光芒。XMM-牛頓和錢德拉等空間望遠鏡經常透過這種 X 射線輻射探測星系團。但星系團很稀有，因此其中的氣體僅佔重子的另外 4%。當我們把我們在星系、星系團和星系際空間其他地方可以看到的所有重子加起來時，它們大約佔總數的一半，至少留下相當於 5000 億個星系等待被發現。
為了平衡賬目，普林斯頓大學的任嶽岑、哥倫比亞大學的耶利米·P·奧斯特里克、亞利桑那大學的羅梅爾·戴夫及其合作者在十年前推測，缺失的重子就在那裡，但已經演變成難以探測的階段。這種難以捉摸的成分的特性與包括普通物質和奇異物質在內的所有型別宇宙物質如何發展成天文學家所稱的大尺度結構有關。
在引力的影響下，暗物質已經將自身拉入一個巨大的骨架網路，該網路交織著宇宙。星系團實際上只是這個宇宙網的高密度節點。在星系團之外，大多數星系聚集在低密度星系群中，或排列成細長的絲狀結構。星系際氣體在引力的作用下被吸引到絲狀結構中，並且正如模擬所表明的那樣，當它落入時，會被衝擊波加熱到 100,000 開爾文到數千萬開爾文的溫度。這聽起來很熱，但按照星系團內部氣體的標準來看，這只是溫熱的。它足夠熱以保持高度電離，但又太冷以至於無法發出 X 射線。
岑、奧斯特里克和戴夫將這種物質稱為溫熱星系際介質，或 WHIM。如果我們能夠憑經驗證實其存在和範圍，我們或許能夠確定缺失重子的位置和狀態。
探測 WHIM 最有希望的方法是尋找諸如電離氧或氮等微量成分，它們會吸收特定波長的紫外線或 X 射線。事實上，天文學家可以應用我們用於普查早期宇宙中冷氫雲的相同吸收線技術；也就是說，我們可以尋找為 WHIM 提供背光的類星體光譜中的下降。我們已經有了一些誘人的線索。在紫外線方面，哈勃太空望遠鏡和現已失效的遠紫外光譜探測器 (FUSE) 探測到了強電離氧的吸收。第一個線索出現在十多年前，當時 WHIM 的概念還很新穎。馬薩諸塞大學阿默斯特分校的託德·M·特里普和威斯康星大學麥迪遜分校的布萊爾·D·薩維奇在類星體 PG 0953+415 的遠紫外光譜中探測到了電離氧吸收。在過去十年中，隨著探測器技術和儀器的改進，更多的觀測隨之而來，最近的改進是在哈勃望遠鏡上安裝了宇宙起源光譜儀。雖然具有強電離氧的系統似乎很豐富，但這種離子僅追蹤 WHIM 中相對較冷的部分。為了追蹤更豐富的熱氣體，我們必須尋找更高電離物種的吸收。
加州大學歐文分校的方濤濤及其合作者利用 X 射線望遠鏡錢德拉和 XMM-牛頓窺探了玉夫座牆的間隙，玉夫座牆是本星系群中一個巨大的星系鏈——是理想的 WHIM 狩獵場。他們發現了氧的吸收，這種氧的電離程度非常高，幾乎失去了所有電子。該團隊估計，這種 WHIM 成分中的總重子密度與宇宙學模擬結果一致。
雖然令人鼓舞，但這些觀測只是冰山一角。觀測很困難：WHIM 訊號很弱，而且我們通常在儀器的技術極限下工作。即使我們確實探測到吸收，我們也必須對氣體的成分做出許多假設，才能推斷出更廣泛的 WHIM 特性。更重要的是，吸收線技術依賴於偶然放置的類星體。類星體很少見，明亮的類星體就更少了，這使得 WHIM 狩獵有點像彩票。儘管如此，我們認為我們知道缺失的重子在哪裡，以及如何探測到它們。許多天文學家現在正致力於繪製 WHIM 的正確地圖。
重子之戰
WHIM 的存在在一定程度上解釋了為什麼星系形成如此低效。大尺度結構的演化使得星系際氣體過於稀薄和炙熱，無法積累成星系形成所需的冷而稠密的池塘。但顯然，一些重子確實變成了星系，否則我們就不會在這裡了。
另一件事也很清楚：星系形成過去效率要高得多。大約 80 億年前，恆星的平均誕生率是今天的 10 到 20 倍。我們今天看到的大多數星系都是在那時形成的。為了解釋為什麼星系形成速度急劇放緩，天文學家不得不重新思考我們關於星系如何誕生的基本模型。
原則上，星系的配方非常簡單。在德國加興馬克斯·普朗克天體物理研究所的西蒙·D·M·懷特和英國杜倫大學的卡洛斯·S·弗倫克於 20 世紀 90 年代開創的模型中，星系在被稱為暈的大質量暗物質團塊內生長，暈的引力像下水道的塞子一樣吸入周圍的氣體。在這個模型中，一些氣體在衝入暈時被衝擊波加熱，然後透過輻射冷卻，使其能夠聚整合一個有凝聚力的天體。一旦進入星系內部，氣體就可以進一步冷卻並坍縮成分子氫雲。在引力收縮下，這些雲最終可以達到製造恆星所需的密度。更大的星系可以透過較小星系的合併而增長。
然而，懷特和弗倫克認識到他們的模型不可能就是全部。例如，並非所有流入星系的氣體都會被衝擊加熱到高溫。但暗暈內氣體吸積的基本圖景為天文學家提供了一個堅實的框架，以理解星系形成的原理。在過去的 20 年裡，該領域蓬勃發展。理論家們更詳細地探索了氣體流動的物理學，改進了最初的模型。最近對宇宙學模擬中氣體熱力學演化的高解析度計算機模型表明，早期宇宙中一些流入年輕星系盤的氣體以相對冷（10,000 至 100,000 開爾文）和狹窄（幾千光年寬）的流的形式進行。這些冷流似乎穿透了更熱的暈氣體，並直接供給星系。
沒有人見過這個過程的實際運作：氣體吸積到星系上的詳細物理學非常複雜，不同的模擬預測的結果略有不同。拋開這些注意事項，天文學家現在接受所有星系都是由原始氣體的引力積累形成的，無論是加熱和冷卻的氣體，還是從未加熱過的氣體。
這個模型的問題在於，氣體流入星系的過程不可能持續下去。如果真的這樣，星系會成長為怪物，但我們知道它們不會：今天的星系質量範圍有限。早期的模型似乎很好地再現了觀測到的星系質量範圍，但事後看來，它們之所以奏效，僅僅是因為天文學家使用的總重子密度值約為當前值的一半。隨著對重子分數的最新測量向上修正了該值，理論家們將此資訊輸入模擬，並意識到他們的模型宇宙受到自然界中未見的大量大質量星系困擾。
另一個問題是，模型預測了大量小的暗物質團塊，這些團塊聚整合越來越大的天體。真實星系並不遵循這種模式。觀測者看到的矮星系數量遠少於模型預測的數量，而且質量最大的星系似乎形成得又快又有效，而不是透過逐漸組裝較小的碎片而成。
模型顯然缺少一個關鍵成分。一定有什麼東西在調節星系中氣體的冷卻和恆星的形成。這個過程使得小星系形成恆星的效率低下，並限制了大質量星系的大小。理論家們開始考慮各種額外的物理過程來提供這種調節。這些過程統稱為星系反饋，可以對抗或逆轉氣體因引力坍縮到星系中，從而限制可以形成的恆星數量。它們包括超新星爆發、恆星的紫外線輻射和外流，以及所有大質量星系核心中潛伏的超大質量黑洞生長過程中釋放的巨大能量 [參見 《黑洞反衝》，作者：華萊士·塔克、哈維·塔納鮑姆和安德魯·法比安；《大眾科學》，2007 年 3 月]。在質量最大的星系中，黑洞可能是最主要的反饋機制；在質量較小的系統中，超新星和恆星風更為重要。
所有這些過程的共同點是，它們都將能量注入回周圍的介質中。透過這種方式，星系可以阻止物質向內流動，阻止已經積累的氣體形成恆星，或者在極端情況下，將重子噴射回星系際空間。考慮到反饋的模擬在再現觀測到的各種星系方面做得更好。反饋不僅在調節星系的演化中起著至關重要的作用，而且還可以重新供應、重新加熱和豐富 WHIM。透過冷卻和加熱的連續過程，重子在星系際空間和星系內部的恆星和氣體之間迴圈。星系的生長取決於宇宙歷史中此消彼長的微妙力量平衡。理解這場重子之戰，徹底改變了我們對星系形成的看法。
斑點學
過去十年，對氣體冷卻和反饋的研究一直是天體物理學的一個主要焦點。沒有經驗資料，我們就無法測試模型。早期宇宙中流入星系的冷物質應該透過氫氣冷卻時發出的漫射光來顯現自身。反饋可以從強烈恆星形成的明亮紅外輻射以及超大質量黑洞周圍環境的 X 射線或無線電輻射中推斷出來。我們需要捕捉到這兩個過程的實際發生。最近，我們可能已經做到了。
大約 15 年前，加州理工學院的查爾斯·斯泰德爾及其合作者發現了一類新的天體，它們似乎符合冷卻觀測特徵：萊曼阿爾法斑點。永遠不要說天文學家對他們的命名感到緊張；“斑點”確實是技術術語。萊曼阿爾法指的是氫氣發出的一種特定頻率的光。這些斑點似乎是發光的雲團，直徑達 300,000 光年——遠大於我們的銀河系——使它們成為早期宇宙中最大的發光天體之一。天文學家此後發現了數十個斑點。觀測到的萊曼阿爾法光芒與理論預測的流入年輕星系的冷氣體的輻射特徵非常相似。
另一方面，許多其他天體物理過程也可能導致萊曼阿爾法發射。例如，紫外線或星系尺度的風可以將能量泵入斑點並使其發光。利用錢德拉，我和我的同事已經證明，許多斑點包含具有活躍生長的黑洞的星系，這些黑洞在 X 射線中發出明亮的光芒。通常，這種活動伴隨著強烈的恆星形成，這可以從遮蔽恆星誕生地的塵埃層的紅外輻射中揭示出來。我們已經計算出，這些過程釋放的能量足以驅動萊曼阿爾法發射。因此，也許斑點的光芒不是由冷卻引起的，正如許多人認為的那樣，而是由加熱引起的。
這些斑點並沒有使事情變得更清楚，反而使情況變得更加複雜。但這正是我對這個領域感到興奮的地方——如果我們知道所有答案，那就不叫科學了。我們現在必須設計和進行新的觀測，以試圖揭示真正發生的事情。但無論如何，斑點正是可以填補我們對星系起源理解中一些主要空白的那種天體。
年輕活躍星系周圍的星系際介質被輻射淹沒的觀測結果可能有助於解決星系形成模型的另一個問題。暗物質的超高解析度模擬預測，像銀河系這樣的星系應該伴隨著數千個質量較小的矮星系，像蜜蜂圍繞蜂巢一樣嗡嗡作響。雖然銀河系確實有一些矮星系伴星，但它們遠少於模擬預測的數量。
一種可能的解決方案是，矮星系確實在早期宇宙中形成了，但它們的母星系用輻射和風暴轟擊了它們。這種猛烈的轟擊剝奪了矮星系設法積累的任何重子，只留下貧瘠的暗物質團塊，這些團塊從此以後一直潛伏在母星系的邊緣。較大的星系在重子之戰中達成休戰，但較小的星系則徹底輸掉了這場戰爭。
什麼是星系？
科學家可能擁有的最令人振奮的體驗莫過於對世界的看法發生鉅變的感覺。對我來說，當我不得不重新評估我對“星系”的看法時，這種感覺就來了。傳統上，我們將發光的星系視為孤立且離散的島嶼宇宙，正如德國哲學家伊曼努爾·康德所說的那樣。在某種意義上，這顯然是正確的。但是，明亮的星系光島只是更廣闊但仍然難以捉摸的重子物質海洋的可見尖端。這種物質遍佈宇宙，分佈在廣闊的、潛在的黑暗結構中，並受其塑造，透過引力不斷演化。
所有這些重子都從相同的狀態開始：一種炙熱的、原始的氣體，迅速形成了氫和氦的基本元素，以及少量的氘和鋰。我們認為的星系是由這種原材料形成的，透過引力被拉入密集的集中區。但是這些結構不是固定的重子群。物質在它們之間移動，作為自大爆炸以來一直在執行的巨大迴圈的一部分。引力和反饋的競爭影響導致氣體冷卻到星系上，然後又從星系中噴射出來。荷蘭萊頓大學的羅布·克萊恩和本傑明·D·奧本海默及其合作者的最新計算機模擬表明，當前鎖定在本星系群中的星系中，多達一半的重子至少迴圈透過星系際介質一次，甚至多次。構成你身體的重子已經參與了這個迴圈近 140 億年；你指甲中的物質可能是在其他星系的恆星中形成的，然後在星系際空間中流放數十億年，然後才在我們的太陽系中安家落戶。你只是一個短暫的階段，一個短暫的宿主，給這種我們稱之為“正常”的稀有物質。
重子迴圈的概念支撐著新興的星系演化觀點。你應該記住的大局是，星系演化只是星系際介質大尺度演化的一個小組成部分。重子宇宙主要由氣體組成，而不是星系。星系際介質是各種力量的戰場，在這一漩渦中，星系形成。星系只是一個處理階段，在一個不斷將重子從一個階段轉移到下一個階段的迴圈中，而且在任何時候，宇宙中大部分重子都不在星系內部。
也許，從情感上講，我們對星系懷有特殊的敬意：銀河系是我們的宇宙家園，一個黑暗中輝煌、廣闊、複雜的家園。從人擇的角度來看，我們恰好足夠幸運地存在於這樣一個時代，即構成地球和地球上一切事物的重子都呈現出寒冷、穩定的形式。情況並非總是如此。大約 50 億年後太陽的死亡將焚燬內行星，蒸發外行星，並逐漸將由此產生的重元素碎片分散回星際介質中。除非人類設法透過發展逃離太陽系限制的技術能力來欺騙迴圈，否則地球上每件事物的灰燼註定要被歸還，並得到豐富，迴歸宇宙。因此，迴圈繼續。