抵達
當我們安頓好在一輛紅色皮卡車上後，我的司機和我離開了機場，駛向智利阿塔卡瑪沙漠中一座名為塞羅曼基的孤峰。兩小時後，當汽車沿著通往山頂的蜿蜒道路轉彎時，我迎來了熟悉的景象：陽光反射在雙子麥哲倫望遠鏡巴德和克萊的銀色外殼上。我的心跳加快了一些。從明天晚上開始，克萊望遠鏡就完全屬於我了。
我每年大約三次從波士頓前往拉斯坎帕納斯天文臺，以幫助解開銀河系演化中一些剩餘的謎團。天文學家非常熟悉我們星系的結構，但我們仍然不瞭解其誕生和發展的全部細節。早期宇宙的計算機模擬表明，曾經有數千個小星系圍繞著年輕的銀河系，銀河系透過吞噬許多較小的星系而變大。為了幫助確定這些模擬是否正確，我將我們星系外圍（稱為星系暈）的古老恆星的化學成分，與今天仍在銀河系軌道上執行的矮星系中的古老恆星的化學成分進行比較。如果模擬是正確的，那麼古代星系暈恆星和矮星系恆星應該是由相同的物質構成的。
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過去幾年，化學分析恰恰揭示了這一點。銀河系很可能透過吞噬矮星系並將它們的恆星融入其星系暈而擴張。即使現在，我們的星系似乎也在吞噬來自星系鄰居的恆星流來使自己變得更胖。然而，天文學家尚未收集到足夠的資料將這些想法寫入教科書。像每一位優秀的觀測者一樣，我總是在尋找更多的證據。天文學家時不時需要離開辦公室和大學，前往偏遠的地方，遠離任何城市喧囂——最好是海拔較高的地方——並面對赤裸裸的夜空之美。在這樣的旅程中，我記起了我最初愛上科學的原因。這就是我想向您展示的。
準備工作
像往常一樣，我比輪到我使用望遠鏡提前一天到達天文臺，這樣我有時間適應我的研究需要的夜間作息時間。在每年的這個時候，典型的工作日從下午 3 點持續到早上 6 點，夜間觀測大約在晚上 6 點開始。我休息一個小時，然後與其他天文學家在小屋裡共進晚餐，那裡的極客氛圍非常濃厚。我們談論最近我們覺得有趣的研究、人們在使用望遠鏡時遇到的任何技術問題以及天氣預報——每個人都害怕陰天。
晚餐後，我拜訪了維護克萊光學望遠鏡及其令人印象深刻的 21 英尺直徑鏡片的操作員和技術人員。只有像這樣相對較大的望遠鏡才能收集到我研究的昏暗而遙遠的恆星發出的足夠的光。即使我今晚不進行觀測，我也喜歡與工作人員和當前的觀測者交談，瞭解自我上次訪問拉斯坎帕納斯以來發生的事情。
大約凌晨 2 點——熬夜足夠長的時間開始調整我的睡眠週期——我離開望遠鏡，走進涼爽的夜空，在那裡我在灌木和石頭中找到了路。阿塔卡瑪沙漠是世界上最乾燥的沙漠，是研究恆星的理想場所：空氣中幾乎沒有水來彎曲偏離望遠鏡的星光束。即使沒有望遠鏡，南半球也能提供無與倫比的銀河系景觀。我仰起頭，凝視著我們星系的中心，那裡無數的恆星像糖蜜中的鑽石碎片一樣散落著。
如果您從側面窺視銀河系，它看起來像一個煎蛋：一個明亮、稠密的恆星蛋黃，稱為銀河中心，星系的旋臂圍繞其形成一個薄薄的碟狀物，稱為銀河盤。一個短暫的古老恆星暈包圍著整個銀河盤。大約 30 個已知的矮星系在星系暈的最外層區域旋轉。平均而言，典型的矮星系僅包含幾十億顆恆星，遠少於相對巨大的銀河系中的 2000 億到 4000 億顆恆星。一些特別暗淡的矮星系可能只包含數千顆恆星，儘管很難計算出如此微弱星團中的恆星數量。
我的研究主要集中在天文學家在過去 10 年才發現的超暗矮星系中的恆星。這些星系中的恆星似乎是一些有史以來最古老的恆星。我們知道這些恆星很古老，因為它們所含化學元素的比例。大爆炸之後，宇宙中的第一批恆星是由氫氣、氦氣和微量鋰（所有元素中最輕的元素，也是當時唯一存在的元素）的氣態雲形成的。隨著第一批恆星的老化，它們核心中的核反應產生了更重的元素，如碳、氧、氮和鐵，當這些恆星以超新星的形式爆炸時，這些元素噴射到太空。新一代的恆星是由富含這些較重元素的氣態雲形成的，天文學家為了方便起見，將這些元素以及鋰稱為“金屬”。只有在後期世代形成的恆星才含有大量的金屬。我研究的是在宇宙嬰兒期誕生的貧金屬恆星。超暗矮星系的恆星比它們更明亮的同類星系少，但它們貧金屬恆星的比例更高——它們很可能是很久以前的遺蹟。
我獨自在星光指引下從望遠鏡走到小屋——無需手電筒。只有我和星星。
一夜的工作
在睡過我第二天的大部分時間後，我為我的第一個望遠鏡觀測之夜做準備。我在觀測者工作場所就座——那是一張桌子，上面有幾臺電腦螢幕，告訴我望遠鏡的狀況、天氣和恆星的位置。望遠鏡操作員按照我的命令操縱儀器，坐在前面是一堵由 15 個螢幕排列成幾排的牆。
在我抵達智利的前一週，我製作了一份按優先順序排序的“目標列表”矮星系恆星。在檢視天氣狀況後，我選擇列表上的第一顆恆星，要求操作員將望遠鏡移動到位置並開始收集星光。
從大約 13 萬光年遠的矮星系傳播而來的星光帶攜帶著恆星的化學 DNA——但程式碼必須被破譯。克萊望遠鏡配備了高解析度攝譜儀，可以將星光束拉伸成不同波長的彩虹，我在一個小電腦螢幕上檢視。在彩虹的不同點上切開的是黑色的垂直條，稱為吸收線，它對應於恆星外殼中不同化學元素的丰度。吸收線越細，恆星中存在的特定元素就越少。事實上，高解析度光譜學足夠精確，可以告訴我一顆恆星包含多少個每種化學元素的原子。
過去幾年我收集和分析的所有星光都告訴我，星系暈恆星和暗淡矮星系恆星都具有非常弱的吸收線，對應於鐵等重元素。例如，在銀河系的星系暈中，我發現了宇宙中最貧鐵的恆星，它的鐵含量僅為地球核心的 1%。為了便於比較，請考慮一下，這顆恆星的質量約為太陽的 60%，而太陽的質量是地球的 30 萬倍。
這種貧金屬的星系暈恆星不可能在銀河系中相對較新的幾代恆星中誕生。相反，它們一定是與誕生古代矮星系恆星的氣態雲——僅存在於宇宙嬰兒期的雲——相同型別的氣態雲形成的，在恆星熔爐產生較重元素之前。證據表明，古代星系暈恆星在化學上與矮星系恆星相似，因為它們也曾經是矮星系的一部分。隨著時間的推移，銀河系吞噬了這些附近的矮星系，竊取了它們的恆星，同時變得更大。然而，化學分析並不是我們星系同類相食的唯一證據。天文學家還發現了我們認為是前餐的汙漬——星系暈中的恆星流，它們很可能從被銀河系引力場捕獲的衛星星系中解開。現在，銀河系正在一點一點地吞噬人馬座矮橢圓星系，因為衛星星系圍繞我們的星系呈弧形運動。每一次轉彎，恆星都會從人馬座中被撕裂並拋入我們星系的星系暈中。
大約早上 7 點，自從我第一次進入望遠鏡觀測室已經超過 12 個小時了，我對從我的目標列表中的第一顆恆星收集到的資料感到滿意。是時候結束這一夜了。我整理好筆記，離開望遠鏡，沿著山路走一小段路回到我在小屋裡的臥室。我已經想象著自己拉上厚厚的、防曬的窗簾，將頭靠在枕頭上休息。晨曦籠罩著頭頂的星星，但我知道它們在那裡——已經燃燒了數十億年。
進一步觀測
下午 3 點，我掙扎著起床，吃過晚飯後，準備用望遠鏡進行更多觀測。我不能浪費一分鐘，特別是考慮到每個觀測夜晚的成本超過 5 萬美元，所以我仔細地計劃我的夜晚。
每當我觀測一顆恆星時，我都需要收集足夠數量的光子，以便稍後對該恆星的化學成分進行有意義的分析。恆星越暗淡，我需要收集足夠的光子就越多。理想情況下，我希望在我的目標列表中觀測每個矮星系恆星總共 10 個小時，因為這些恆星非常暗淡——相比之下，星系暈恆星只需要一到三個小時的曝光時間。然而，隨著地球繞其自身軸線旋轉，拉斯坎帕納斯天文臺背離了我正在研究的太空區域，因此我不可能在任何一個晚上觀測到我的任何目標矮星系恆星超過四到五個小時。為了彌補這一點，我在幾個晚上觀測同一組恆星。還有另一個複雜的問題：高能宇宙射線不斷轟擊地球——擊中望遠鏡的探測器並降低資料質量。我發現一種有效的方法是在收集足夠星光但又不會收集太多宇宙射線之間取得適當的平衡，是將我的觀測分成 55 分鐘的塊。短於 55 分鐘，我將無法收集到足夠的光子；長於 55 分鐘，儀器將被過多的宇宙射線擊中。我通常觀測一顆恆星四到五個 55 分鐘的塊，然後移動到天空不同部分的下一顆恆星。
當需要從觀測一顆恆星切換到另一顆恆星時，我必須仔細審查所有可用的資料：到目前為止我收集到的光子數量、我的目標恆星在夜空中的位置以及天氣預報。望遠鏡操作員正在等待我的決定。例如，假設我沒有從我正在觀測的第一顆恆星那裡收集到我想要的光子數量，但這顆恆星很快就會消失在地平線以下。我需要決定是繼續觀測這顆恆星一段時間，還是轉移到另一顆恆星，並希望天空晴朗到足以在另一個晚上再次觀測第一顆恆星。如果我幸運的話，我能夠匆匆下樓到廚房給自己做個三明治，但在大部分時間裡，我都被粘在電腦螢幕上，直到我收集到足夠的光子可以結束這一夜。
天氣變化
大約下午 6:30，在新一輪觀測開始之前，我走到克萊望遠鏡外的貓道上。在拉斯坎帕納斯觀看日落是一種儀式。太陽緩緩沉入地平線以下，將山頂披上粉紅色和桃紅色的面紗。每次日落都標誌著一個新的觀測夜晚的開始——只要天氣允許。我在望遠鏡中的第三個夜晚開始得很好，但不久之後，我就皺著眉頭看著我面前顯示器上的天氣報告。我開啟望遠鏡的門，將頭伸到夜空中。比凝結奶油還厚的雲層擠滿了塞羅曼基山峰。沒有什麼可以做的。我今晚不會再觀測任何恆星了。我坐在我的筆記型電腦前，回覆我忽略太久的電子郵件，整理之前研究的資料，並寫作——事實上，這篇文章的大部分內容都是在那個陰沉的夜晚寫的。
當我從寫作中休息一下時，尚未發現的矮星系的影像在我的腦海中浮現。我們星系誕生的計算機模擬表明，有更多的矮星系圍繞銀河系執行，而我們迄今為止發現的還少。我們已經繪製了所有明亮的矮星系。我們尚不知道的那些要麼更暗淡，要麼更遙遠，這意味著我們需要特別敏銳的眼睛才能找到它們。卡內基科學研究所計劃在拉斯坎帕納斯建造一座新的望遠鏡，在塞羅曼基山峰附近的另一座山上——該儀器擁有 82 英尺直徑的鏡片。這幾乎是我現在使用的鏡片直徑的四倍。憑藉其巨大的鏡片和配套的攝譜儀，新的望遠鏡將讓我能夠凝視銀河系星系暈的遙遠區域，在那裡我希望找到更多貧金屬恆星。我們進行的觀測越多，我們就越接近填補我們星系以及銀河系如何成為今天的樣子的故事中的所有空白。