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大多數人認為天文學是研究龐大事物的科學——正如道格拉斯·亞當斯所說，“極其巨大，令人難以置信地巨大”。但從上週在華盛頓特區舉行的美國天文學會會議來看，如今天文學中最有趣的事物是那些小（相對而言）的事物。行星獵人們已經積累了數百個木星大小的世界，現在正在尋找地球大小的行星。研究超大質量黑洞的天體物理學家們正在看到僅僅是質量巨大的黑洞的魅力。那些剖析星系歷史的人認為，線索可能存在於星系矮星系中。
在會議上我最喜歡的演講之一中，密歇根大學的瑪爾塔·沃隆特里討論了超大質量黑洞是如何形成的——這是每位天文學家十大待解之謎榜單上的一個謎題。質量為數十億個太陽質量的黑洞在大約十億年的宇宙年齡時就已存在，這速度快得令人費解。
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據推測，它們是在一個兩階段過程中形成的：一個種子黑洞核化，然後吸入物質。但是吸入過程是緩慢的，為了及時膨脹到觀測到的大小，種子必須一開始就具有數百個太陽質量，至少。究竟是什麼產生了這樣一個龐然大物？足夠大的恆星在死亡時會坍縮成黑洞，但恆星的質量本質上是有限的。它們來源的氣體雲傾向於分裂，導致多箇中等大小的恆星，而不是一個單獨的重量級恆星。在今天的宇宙中，您可能期望的最好情況是一顆恆星留下一個可能只有 10 個太陽質量的黑洞，這是一個可悲的不合格的種子。
但是遠古宇宙有一個主要的優勢：它缺乏重元素，因為恆星還沒有機會合成它們。這些元素比氫或氦更有效地輻射熱量，因此它們有助於氣體雲冷卻和分裂。由於缺乏這些元素，遠古時代的氣體經歷的分裂較少。從這個想法出發，沃隆特里規劃了兩種創造種子黑洞的通用策略。第一種策略是，種子是宇宙中形成的第一代恆星的屍體，它們是泰坦般的種族。在第二種方法中，數千個太陽質量或更多的氣體雲變得引力不穩定，並直接坍縮成黑洞。這兩種過程都不再運作，因為宇宙中重元素已經變得過於豐富。
哪種過程解釋了種子的形成？這很難說。無論種子是如何形成的，所有種子的質量最終都受到可用物質的限制——就像孩子們有早或晚的生長突增，但最終身高一樣高。它們的起源湮沒在古代。或者它們沒有湮沒？沃隆特里指出，宇宙中包含相對較小的黑洞——顯然幾乎沒有生長的種子。它們的性質應該仍然反映出它們是如何形成的。
十大待解之謎榜單上的另一個問題是星系是如何形成的。在一次廣為報道的新聞釋出會上，加州大學聖克魯茲分校的加斯·伊林沃思展示了來自哈勃超深空場的影像，這是人類有史以來捕捉到的最靈敏的影像。他宣佈了紅移為 8.5 和 8.7 的星系，對應於大約僅僅 6 億年的宇宙年齡。這些星系是侏儒，大小僅為銀河系的 5%，質量僅為銀河系的 1%。考慮到紅移，它們異常地偏藍，這意味著缺乏塵埃，因此也缺乏重元素。
這些星系內的恆星似乎有 3 億年的歷史，這意味著這些星系形成於 3 億年的宇宙年齡，使它們成為宇宙中最早的星系之一。伊林沃思的團隊推斷，那時的恆星形成率是目前恆星形成率的十分之一。因此，這是天文學家首次觀察到恆星形成率低於今天的時代。恆星形成率迅速上升，在紅移約為 3 時達到頂峰，此後一直處於下降趨勢。
一個需要注意的地方：這些星系太暗，無法測量它們的真實光譜，因此該團隊使用了不太精確的替代品：幾個不同波段的光的相對量。這些星系在可見光中是不可見的，但在波長大於 1 微米時會顯示出來；由此，研究人員推斷出它們的紅移。考慮到這種程式的不確定性，8.7 這個值所暗示的精度在我看來是值得懷疑的。最好說“大約 8”。至於恆星年齡，研究人員透過混合和匹配恆星型別來嘗試重現觀測到的星系顏色，從而推斷出恆星年齡。星系在 3 微米處比在 1 微米處明顯更亮，這表明它們包含相對較紅（因此壽命更長）的恆星。然而，同樣，3 億年的數字可能誇大了這種估計的精度。
今天的宇宙包含類似的侏儒星系，它們在大小和重元素貧乏方面都與古代矮星系相匹配。會議上的幾位研究人員談到了關於這些小傢伙的一個奇怪的事實：在它們內部發生的超新星爆發非常怪異。
加州理工學院的安德魯·德雷克描述了卡塔利娜瞬變巡天的結果，該巡天的主要任務是掃描威脅地球的小行星，但也順便捕捉到天空中各種閃爍和閃光，包括超新星爆發。其發現之一是SN 2008fz，這是有史以來觀測到的能量最高的超新星，比通常的超新星亮 10 倍。它在一個小型星系中爆發，該星系的大小與銀河系的衛星星系之一大麥哲倫星雲相當。另一個是SN 2008iy，它花了 400 天才達到峰值亮度，比通常的超新星長 20 倍。它發生在一個更小的星系中。
聖母大學的彼得·迦納維奇宣佈了另一項超新星巡天ESSENCE的結果，其中包括另一個奇怪的超新星 Y-155。它不僅比通常的超新星亮 10 倍，而且隨著時間的推移變得更熱而不是更冷。迦納維奇認為它是所謂的對不穩定性超新星，當輻射強度太高以至於產生新的物質粒子時就會發生這種情況。12 月，另一個團隊得出結論，SN 2007bi，一顆明亮且緩慢達到峰值的超新星，也是一顆對不穩定性超新星。這兩顆超新星都在低質量星系中爆發。
同樣，原因可能是重元素的缺乏。對不穩定性爆發需要質量巨大的恆星，即太陽質量的 150 到 250 倍，只有在重元素丰度較低時才會出現這種情況。矮星系在漫長的歲月中經歷的物質再加工較少，因此積累的這些元素也較少。
正如另外兩項研究表明的那樣，它們也傾向於失去它們擁有的任何物質。馬里蘭大學的斯泰西·麥高夫觀察了不同大小的星系樣本，並以兩種方式估算了它們的質量：首先，他將所有恆星加起來；其次，他測量了這些恆星的速度，並推斷出必須有多強的引力才能包含它們。這種分析以前已經做過，它表明星系的質量比它們的恆星數量所暗示的要大得多；差異由暗物質彌補。（麥高夫過去曾爭論過，但在本次會議上沒有強調的另一種選擇是，這種差異表明物理定律的失效。）
麥高夫表明，星系越小，差異越大——表明暗物質的比例越大，或者更可能的是，普通物質的比例越小。由於它們的引力較弱，矮星系不太能夠容納超新星爆發的碎片，因此它們將其損失到星系際空間。
馬克斯·普朗克地外物理研究所的尼夫·德羅裡透過非常不同的方法得出了類似的結論。他的團隊的COSMOS 巡天檢查了相對附近（因此是最近的）宇宙中的 300,000 個星系，並將不同質量的星系數量與如果星系完全由暗物質組成，應該有多少星系的模擬結果進行了比較。他們發現星系數量少於模擬預測的數量，並且隨著尺寸的減小，差異再次惡化——這表明普通物質更容易從小星系中噴射出來。
天文學家可能需要很長時間才能完全掌握黑洞和星系是如何形成的，但這似乎並不讓他們擔憂。天文學一個引人注目的特點是，它自覺地是一項跨世代的努力。許多主題演講者表示，他們一生都找不到重大問題的答案，但年輕的聽眾會找到答案。
圖片：哈勃太空望遠鏡去年 8 月拍攝的近紅外光中最深遠的影像。圖片來源：NASA、ESA、G. Illingworth 和 R. Bouwens（加州大學聖克魯茲分校）以及 HUDF09 團隊