用蠟燭加熱一個(gè)氣球，它會(huì)膨脹炸開(kāi)。同樣地，當(dāng)早期宇宙中的星系里有恒星爆炸的時(shí)候，也會(huì)產(chǎn)生高溫氣體的猛烈外流。
星系做為宇宙這一單調(diào)樂(lè)章中跳動(dòng)的明亮音符承載著恒星乃至生命。它們有的大，有的小，有的是通明的恒星生產(chǎn)廠，有的則黯淡寧?kù)o，有的猶如螺旋的車輪，有的則似無(wú)規(guī)則的團(tuán)塊。是什么造就了星系世界的千差萬(wàn)別？
只要天文學(xué)家們能在實(shí)驗(yàn)室里檢驗(yàn)他們的理論，興許就能找到對(duì)這個(gè)問(wèn)題的解答。
[圖片說(shuō)明]：旋渦星系M104，又名草帽星系。版權(quán)：NASA/ESA/Hubble Heritage Team/STScI/AURA。
隨著時(shí)代的發(fā)展，天文學(xué)家已經(jīng)越來(lái)越具備這樣的能力。當(dāng)然不是通過(guò)蠟燭和氣球的實(shí)驗(yàn)，而是使用具有非凡計(jì)算能力的超級(jí)計(jì)算機(jī)。綜合日漸增多的對(duì)早期宇宙的觀測(cè)數(shù)據(jù)，大型的計(jì)算機(jī)模擬正在描繪出一幅整個(gè)宇宙的完整圖畫(huà)。這幅畫(huà)的骨架則是由看不見(jiàn)的暗物質(zhì)和低溫氣體所組成的“宇宙之網(wǎng)”。
現(xiàn)在的數(shù)值模擬和觀測(cè)正接二連三地顯示出它的重要性。宇宙之網(wǎng)似乎并不是一個(gè)框架這么簡(jiǎn)單。按照最新的觀點(diǎn)，宇宙之網(wǎng)中的纖維結(jié)構(gòu)正是為星系成長(zhǎng)提供所需氣體的“臍帶”。
宇宙之網(wǎng)的故事既饒有興趣又曲折離奇。1978年英國(guó)劍橋大學(xué)的天文學(xué)家馬丁·里斯（Martin Rees）和西蒙·懷特（Simon White）提出了一個(gè)與以往大相徑庭的星系形成理論，被稱為“等級(jí)式模型”。作為這個(gè)模型的副產(chǎn)品，上個(gè)世紀(jì)80年代中期宇宙之網(wǎng)的概念應(yīng)運(yùn)而生。
[圖片說(shuō)明]：旋渦星系M31，又稱仙女星系。是距離銀河系最近的大型星系，也是肉眼所能看見(jiàn)的最遙遠(yuǎn)星系。版權(quán)： Tony Hallas。
在等級(jí)式模型中，一切都始于大爆炸之后宇宙的超高速膨脹——暴漲。暴漲幾乎“抹平”了整個(gè)宇宙，但并不是全部。物質(zhì)分布的微小變化會(huì)在某些地方形成高密度區(qū)，由暗物質(zhì)組成的“暈”在其中會(huì)快速合并。隨著時(shí)間的流逝，它們每一個(gè)都會(huì)演變成引力“陷阱”，周圍的氣體——主要是氫——會(huì)快速地落入其中。在這一過(guò)程進(jìn)行的同時(shí)，被束縛在“陷阱”中的氣體會(huì)被快速加熱，并且點(diǎn)燃第一代恒星。
此時(shí)，這些物質(zhì)團(tuán)塊——未來(lái)星系的種子——就像是幾乎空無(wú)一物的宇宙中的島嶼，同時(shí)也是正在發(fā)育中的宇宙之網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)。更為重要的是，它們還會(huì)運(yùn)動(dòng)。在相互的引力吸引下，它們開(kāi)始碰撞、并合，由此會(huì)導(dǎo)致驟發(fā)性的恒星形成。隨后恒星形成會(huì)暫時(shí)平息，直到下一次并合事件的發(fā)生，形成更大的團(tuán)塊。我們今天所看到的不同星系正是這一斷斷續(xù)續(xù)“施工”的結(jié)果。
這一圖像乍看之下非常漂亮。它和對(duì)早期宇宙的觀測(cè)符合得很好。就連對(duì)宇宙微波背景的精細(xì)測(cè)量也證實(shí)了早期宇宙物質(zhì)分布確實(shí)存在微小漲落。在引力的作用下，等級(jí)式模型為這些微小的密度漲落成長(zhǎng)為我們今天所看到的星系提供了一條坦途。
[圖片說(shuō)明]：旋渦星系M51，距離地球3,500萬(wàn)光年。版權(quán)：NASA/The Hubble Heritage Team/STScI/AURA。
但是，這一圖像中的“裂痕”也隨之出現(xiàn)。2006年，當(dāng)天文學(xué)家萊因哈特·甘澤爾（Reinhard Genzel）及其同事發(fā)表他們使用歐洲南方天文臺(tái)甚大望遠(yuǎn)鏡對(duì)一些最早的產(chǎn)星星系的觀測(cè)結(jié)果的時(shí)候，等級(jí)式模型最大的問(wèn)題之一出現(xiàn)了。他們使用了一種被稱為集成視場(chǎng)光譜儀的新技術(shù)，由此可以分析出來(lái)自天空中比滿月小20,000倍的區(qū)域所發(fā)出輻射的光譜，進(jìn)而可以揭示出它們是在朝向還是遠(yuǎn)離地球運(yùn)動(dòng)。將這一技術(shù)應(yīng)用于遙遠(yuǎn)的星系，就能告訴我們它們的內(nèi)部動(dòng)力學(xué)情況?！斑@一技術(shù)確實(shí)帶來(lái)了巨大的突破，”甘澤爾說(shuō)。
出奇的平靜
甘澤爾他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常奇怪的星系。這個(gè)星系距離地球非常遙遠(yuǎn)，現(xiàn)在我們所接收到的它的輻射是在宇宙誕生之后剛剛30億年的時(shí)候所發(fā)出的。這個(gè)星系非常明亮，它每年所形成的恒星總質(zhì)量可以達(dá)到100個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。相比之下，銀河系目前的恒星誕生率只有它的二十分之一。
在等級(jí)式模型中，其核心結(jié)論就是星系間的并合會(huì)引發(fā)恒星形成，但是觀測(cè)并沒(méi)發(fā)現(xiàn)任何碰撞的跡象。而且，這個(gè)星系還具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的星系盤(pán)，也并非是由星系并合而導(dǎo)致的不規(guī)則形態(tài)。
[圖片說(shuō)明]：相互作用的兩個(gè)旋渦星系NGC 6050和IC 1179，距離地球4,500萬(wàn)光年。版權(quán)：NASA/ESA/Hubble Heritage Team/STScI/AURA/Hubble Collaboration/K. Noll。
出現(xiàn)反常的還不僅僅是這一家。從2006年起，甘澤爾小組已經(jīng)拍攝了幾十個(gè)看似平靜的早期星系的照片，但其中正有新的恒星在大規(guī)模形成。至少對(duì)于這些星系而言，等級(jí)式并合可以肯定不是它們整個(gè)故事的全部。那么它們又是如何成長(zhǎng)起來(lái)的呢？
可能的情況并不是很多。對(duì)宇宙微波背景的觀測(cè)為早期宇宙中的密度漲落提供了一幅清晰的圖像，這是任何一個(gè)模型都不能忽視的。暗物質(zhì)暈的生長(zhǎng)、并合看起來(lái)也是不容質(zhì)疑的。神秘的暗物質(zhì)是保持星系穩(wěn)定、避免因轉(zhuǎn)動(dòng)而瓦解的重要幕后“黑”手。
唯一留有回旋余地的就是和恒星形成有關(guān)的氣體。關(guān)于氣體的具體理論從來(lái)沒(méi)有向暗物質(zhì)暈并合那樣是建立在牢靠的基礎(chǔ)之上的。
[圖片說(shuō)明]：旋渦星系M64，它在10億年之前剛剛吞噬了一個(gè)小星系。版權(quán)：NASA/Hubble Heritage Team/AURA/STScI。
2006年初，兩個(gè)以色列科學(xué)家就沿著這條線使用超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬來(lái)檢驗(yàn)不同的理論。他們認(rèn)為，暗物質(zhì)暈會(huì)不斷地吸積氣體。他們得到的初步結(jié)果很吸引人。連續(xù)不斷落向暗物質(zhì)暈的低溫氣體流會(huì)被壓縮并且被有效地輸送到正在發(fā)育的星系的中心，在那里它們會(huì)形成新的恒星。這說(shuō)明對(duì)于恒星形成而言，并合并不是一個(gè)充分條件。
平穩(wěn)操作
那么這些氣體又來(lái)自何方？2005年來(lái)自美國(guó)哈佛-史密松天體物理中心的一個(gè)天文學(xué)家小組希望通過(guò)數(shù)值模擬能尋找到對(duì)這個(gè)問(wèn)題的解答。他們用大約200萬(wàn)個(gè)“粒子”來(lái)代表獨(dú)立演化的氣體和由暗物質(zhì)組成的1,000個(gè)早期星系。令人吃驚的是，他們發(fā)現(xiàn)低溫氣體流會(huì)自然而然的形成，聯(lián)接星系和與之毗鄰的巨洞。如果星系是宇宙之網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)，那么這些氣體流就是組成它的線繩——通過(guò)它們周圍的氣體不斷地哺育星系，使得其中的恒星可以持續(xù)、穩(wěn)定地形成。
[圖片說(shuō)明]：透鏡狀星系NGC 5866。版權(quán)：NASA/ESA/Hubble Heritage Team/STScI/AURA。
2009年1月，天文學(xué)家們又往前進(jìn)了一步。他們?cè)诔?jí)計(jì)算機(jī)中使用10億個(gè)氣體粒子和40億個(gè)暗物質(zhì)粒子模擬了宇宙之網(wǎng)中一個(gè)有三個(gè)分叉的結(jié)點(diǎn)。他們發(fā)現(xiàn)，每年差不多有相當(dāng)于200個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的低溫氣體會(huì)流入該結(jié)點(diǎn)，這足以造成在年輕星系中所觀測(cè)到的恒星形成率。
低溫氣體流的秘訣就在于它們能平穩(wěn)地輸入氣體。由于沒(méi)有了像并合這么猛烈的過(guò)程，因此只有極少量的氣體和能量會(huì)被浪費(fèi)掉，剩下的大部分則會(huì)被用于恒星形成。所以平穩(wěn)的操作是在宇宙早期形成勻稱的盤(pán)狀星系的關(guān)鍵。為了把星系成長(zhǎng)的電影再往前推一格，2009年4月法國(guó)和美國(guó)天文學(xué)家一起模擬了有低溫氣體注入的星系盤(pán)中引力不穩(wěn)定性所產(chǎn)生的物質(zhì)團(tuán)塊是如何演化的，并且發(fā)現(xiàn)星系最終會(huì)形成類似我們銀河系這樣的成年星系所具有的旋臂特征。
[圖片說(shuō)明]：棒旋星系NGC 2787。版權(quán)：HST/STScI/AURA。
雖然這一新的機(jī)制取得了重要的進(jìn)展，但是它并不能完全顛覆并合理論。暗物質(zhì)團(tuán)塊的并合不論是對(duì)于在一開(kāi)始形成暗物質(zhì)暈還是對(duì)于比銀河系更大的星系的形成都被認(rèn)為是非常重要的。在所有的星系中有超過(guò)10%的是內(nèi)部沒(méi)有旋臂結(jié)構(gòu)的大質(zhì)量橢圓星系。這些星系可能就是通過(guò)小得多的由低溫氣體流吸積氣體所形成的小型星系并合而來(lái)的。
由此，宇宙之網(wǎng)不再是并合理論的一個(gè)反例。沿著宇宙之網(wǎng)纖維結(jié)構(gòu)注入星系的物質(zhì)有時(shí)是一股“涓涓細(xì)流”，可以滋養(yǎng)較小的盤(pán)狀星系，但有時(shí)則會(huì)含有較大的團(tuán)塊，這一物質(zhì)洪流的沖擊倒更類似于并合。
按照理論模型，對(duì)低溫氣體的吸積一直會(huì)延續(xù)到今天。在早期宇宙中，宇宙之網(wǎng)中的“線繩”會(huì)在10,000光年的跨度上哺育星系，這一范圍比現(xiàn)在的銀河系還要小上10倍。但是隨著宇宙膨脹，這些臍帶就會(huì)變得越來(lái)越寬，同時(shí)也會(huì)變得越來(lái)越稀。這就會(huì)造成低溫吸積的效率比以前大大降低，也減小了成年星系中的恒星形成率?，F(xiàn)如今的低溫氣體流早已失去了昔日的雄風(fēng)，變成了從各個(gè)方向落向星系的毛毛細(xì)雨。
[圖片說(shuō)明]：位于室女星系團(tuán)中心的橢圓形系M87。版權(quán)：Robert Gendler。
這也正是為什么我們從來(lái)沒(méi)有在銀河系的周圍找到有關(guān)這些低溫氣體流直接證據(jù)的原因。此外，低溫吸積過(guò)程會(huì)產(chǎn)生萊曼-α紫外輻射，它們是由于氣體在掉入星系的過(guò)程中被加熱而造成的。但不幸的是，這些輻射幾乎完全會(huì)被星系中的塵埃以及地球大氣所吸收，這使得即便從地球上也不可能看到非?？拷覀兊牡蜏貧怏w流。
為此，甘澤爾對(duì)此提出了警告?！拔覀儽仨毷中⌒?，而不是隨大流，”他說(shuō)，“畢竟還沒(méi)有一個(gè)人真正觀測(cè)到了這些低溫氣體流?！?/p>
[圖片說(shuō)明]：橢圓星系NGC 1316，它被認(rèn)為是由不久前的兩個(gè)星系碰撞而形成的。版權(quán)：P. Goudfrooij/STScI/Hubble Heritage Team/AURA/ESA/NASA。
有意思的是，遙遠(yuǎn)星系中的低溫氣體流也許能較為容易地被觀測(cè)到。由于宇宙膨脹，來(lái)自遙遠(yuǎn)天體的光會(huì)向光譜的紅段移動(dòng)，這就意味著來(lái)自早期宇宙中星系的萊曼-α紫外輻射會(huì)紅移到不受地球大氣影響的可見(jiàn)光波段。
美國(guó)哈佛-史密松天體物理中心的天文學(xué)家認(rèn)為，其實(shí)他們?cè)?998年就已經(jīng)觀測(cè)到了這一輻射。當(dāng)時(shí)他們?cè)谟钪婺挲g僅有20億年的地方發(fā)現(xiàn)了兩團(tuán)巨大的會(huì)發(fā)射出萊曼-α輻射的氣體。這些氣體橫跨兩個(gè)年輕的星系，從它們外部的暗物質(zhì)暈一直延伸到它們內(nèi)部明亮的星系盤(pán)。
此后，在許多其他的早期星系中也發(fā)現(xiàn)了類似的氣團(tuán)。這些氣體到底是什么，甚至于這些氣體是在向星系運(yùn)動(dòng)還是從星系中逃逸出來(lái)，仍然是個(gè)謎。有人認(rèn)為，它們正是宇宙之網(wǎng)伸向星系的觸手。當(dāng)然，也有人對(duì)此表示反對(duì)。一些觀測(cè)到的氣團(tuán)就位于會(huì)發(fā)射X射線和紫外線的類星體周圍，因此類星體可能是它們的源頭，而非宇宙之網(wǎng)。
[圖片說(shuō)明]：不規(guī)則星系NGC 1427A。宇宙中大約有3%的不規(guī)則星系，它們特殊的形狀大多是其他星系相互作用的產(chǎn)物。版權(quán)：NASA/ESA/Hubble Heritage Team/STScI/AURA。
較晚成形
將年輕產(chǎn)星星系的特寫(xiě)照片和計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果進(jìn)行比較是平息這一爭(zhēng)論，同時(shí)也會(huì)宇宙之網(wǎng)的新作用打下更堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)的絕佳途徑。最近天文學(xué)家們已經(jīng)找到了15個(gè)和銀河系質(zhì)量相仿的近距星系，但這些星系看上去似乎在30～40億年前才開(kāi)始有恒星形成。這也許預(yù)示著，所有星系都在宇宙的早期就開(kāi)始形成恒星的這一標(biāo)準(zhǔn)觀點(diǎn)可能有待商榷。
如果所有的星系都是由并合而形成的，那么在這些星系中應(yīng)該會(huì)留下猛烈碰撞的證據(jù)。另一方面，如果星系形成是由低溫氣體流所驅(qū)動(dòng)的，那么這些星系就應(yīng)該是盤(pán)狀的并且會(huì)通過(guò)宇宙之網(wǎng)中的“線繩”和大量的原初氫氣相連。對(duì)于觀測(cè)到的這15個(gè)星系，它們可能正好處于宇宙之網(wǎng)相對(duì)較為稀松的巨洞之中，這就意味著它們的成形會(huì)比較晚。
[圖片說(shuō)明]：超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬出的宇宙之網(wǎng)，在其中可以清晰地看到其中生長(zhǎng)出的細(xì)絲和明亮的結(jié)點(diǎn)。版權(quán)：BHCOSMO。
但是目前的觀測(cè)還無(wú)法分辨這些星系內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)情況。不過(guò)現(xiàn)在既然已經(jīng)知道這些星系的所在了，那么將來(lái)諸如哈勃空間望遠(yuǎn)鏡這樣的強(qiáng)力觀測(cè)設(shè)備必定會(huì)對(duì)它們進(jìn)行詳盡的觀測(cè)。
對(duì)于絕大多數(shù)的天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，有一點(diǎn)是已經(jīng)清楚了的，那就是星系形成的整個(gè)圖像需要修改。在過(guò)去的4～5年里它已經(jīng)發(fā)生了顯著的變化，現(xiàn)在我們看到的所有星系都處于哺育它們的絲網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之中。在宇宙數(shù)值模擬的支持下，宇宙之網(wǎng)正在變得越來(lái)越真切、越來(lái)越重要。
