這些古老的龐然大物，填補了宇宙演化史的一大空白

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最近，宇宙演化史上的一個巨大空白終於被天文學家填補上了。利用多台望遠鏡，他們驚喜地發現了一個隱藏的大型星系群。宇宙從誕生至今已經有138億的歷史，而這些大型星系卻在118億年之前就已經存在了。這是天文學家第一次證實，在宇宙生命周期的頭20億年時間裡有如此龐大的星系群，它們的存在與超大質量黑洞和暗物質的分布密切相關。

○ 新發現的古老星系的藝術構想圖。| 圖片來源：NAOJ

這是前所未有的發現，其數量之多與目前對宇宙那段時期的演化模型相悖。然而，為何我們直到現在才發現如此龐然大物呢？這是因為，這些星系發出的光極其微弱，哈勃太空望遠鏡對它們也束手無策。研究人員將新的發現發表在了最近的《自然》雜誌上，它表明，或許有90%的大型星系都被我們錯過了。這樣的結論無疑將激發大量的進一步研究。

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對天文學家來說，要證明天空中一個極其微弱的光點實際上是一個遙遠的星系絕非易事。他們需要使用一些技巧，比如一種依賴於星系發出的光譜的技巧。

我們知道，恆星會放出非常豐富的光，但形成了恆星的氫氣所吸收的波長要短於紫外線波段的一些特定部分，因此形成一個獨特的截止（cutoff）光譜。在光線抵達觀測者之前，光線會因為宇宙的膨脹而被拉到更長的波長，從而造成紅移。這樣一來，截止光就會被推移到光譜中別的位置，比如被推到可見光波段或近紅外光波段。通過尋找這種特徵，哈勃太空望遠鏡已經發現了數百個當宇宙誕生還不到20億年時就放出光芒的星系。

不過，這項技術存在一個問題，它可以對更小、更年輕的星系非常敏感，但是對更大、更老的星系卻往往視而不見。其中一個原因是，較大的星系往往被塵埃所籠罩，因此與較小的星系相比，它們反而更加模糊。

而且這些早期的更大、更成熟的星系含有更多的超新星，超新星爆炸所產生的塵埃會吸收大部分的紫外線，從而會抹去這種光譜截止。可以說，早期的大質量星系在可見光波段上對地球上的觀測者來說是不可見的。

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在新的研究中，他們找到了一種能將塵埃這個宿敵變成盟友的方法，從而發現那些失蹤星系的蹤跡。吸收星光的塵埃一定會升溫並輻射出更長的紅外波長，而這正是研究人員可以尋找的跡象。

他們將研究的範圍限制在哈勃望遠鏡曾以極高的靈敏度拍攝過的三塊小小的天空區域，然後利用斯皮策太空望遠鏡，在中紅外波段對這些區域進行掃描。

斯皮策發現了63個候選星系，這就是這些來自東京大學的天文學家最早開始懷疑這些星系存在的依據。

○ ALMA的部分天線陣列。| 圖片來源：Kohno et al.

但是，斯皮策的缺點是它缺乏足夠高的空間解析度來對這些星系進行確認。因此，他們又轉向了位於智利北部沙漠中的ALMA（阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠鏡）的66個天線陣列。他們認為，亞毫米波段是觀察早期宇宙塵埃的最佳波段，因此推斷ALMA將會是觀測這類天體的最理想設備。

他們利用ALMA在較長的遠紅外光波下對每一個候選星系進行了分析研究，最終證實了39個候選星系。通過與之前已經拍攝的照片對比，他們也證實了哈勃望遠鏡是看不到這些古老星系的，因此，他們將這些星系歸類為「H-dropout」，意思是「被哈勃遺漏的信號」。

○ ALMA能看到的古老星系（右），而哈勃太空望遠鏡卻無法看到（左）。| 圖片來源：Wang et al.

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天文學家感興趣於研究這39個星系如何有別於我們的銀河系。從ALMA和其他望遠鏡收集的數據來看，新發現的這些巨大星系平均約為1萬億個太陽質量。如果我們的太陽系在這樣一個星系中，那麼我們在晴朗的夜晚仰望星空時將會看到一些與銀河系模式截然不同的東西。

首先，夜空會更加壯觀，更大的恆星密度意味著會有更多恆星離我們很近，它們在夜空中會更大更亮。但是，大量的塵埃又會導致那些遙遠的恆星更加模糊、更加不可見。因此映入我們眼帘的，很可能是在遠處是一個巨大的黑暗空間背景，眼前有許多的明亮的恆星。

所以，這些巨大星系的發現意味著什麼？星系越大，其中心的超大質量黑洞也就越大。所以，研究這些星系及其演化將能揭示更多關於超大質量黑洞的演化秘密。另外，巨大的星系也與暗物質的分布密切相關，它們在塑造星系的結構和分布上起著重要作用。

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這樣的觀測結果向主流理論發起了挑戰。因為沒人能想到在宇宙的早期可以如此高效地製造出如此巨大的星系。許多天文學家認為，現有的對星系演化的建模仍必須依賴於恆星形成的近似模型，這或許是現有理論模型的問題所在。

但由於這是首次發現這樣的星系群，因此還需要更多的探索才能意識到它們究竟意味著什麼，未來或許還會有更多的驚喜。新的觀測結果證明了ALMA的力量，它們在遠紅外波段的確具有前所未有的空間解析度。

1998年，天文學家曾用夏威夷的一個15米長的紅外線望遠鏡（詹姆斯克拉克麥克斯韋望遠鏡）發現了一個早期星系。但由於解析度太之低，因此花了14年時間才確定這個光源。而現在，ALMA只需要不到2分鐘的時間就可以鎖定每個新的星系，真的是十分高效了。

在紅外波段的天文觀測即將帶來一場新的天文學革命，現在，天文學家們已經開始翹首企盼，期待像詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST）這樣的天文台將能為我們揭示一個怎樣奇妙的宇宙。

參考來源：

https://www.sciencemag.org/news/2019/08/galaxy-hunters-spot-hidden-giants-early-universe

https://phys.org/news/2019-08-astronomers-vast-ancient-galaxies-dark.html

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1452-4

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