我一直对夜空中点缀着的沙粒般密集的星系感到震惊和着迷。人类有史以来制造的最灵敏的光学图像——哈勃超深空场，在一个大约是满月面积 1/100 的区域内捕捉到了大约 10,000 个星系。按此密度放大到整个天空，意味着总共有大约 2000 亿个星系。而这些还只是最明亮的星系；真实的数字可能更大。
所有这些星系是如何形成的？这个问题激励我成为一名天文学家，并且一直是我的研究生涯的焦点。多年来，我对星系的幼稚看法发生了改变。从数量上判断，自然似乎很擅长制造星系。事实并非如此。如果你把今天星系中所有可见物质加起来，你得到的只是宇宙大爆炸创造的总量的十分之一左右。其余的在哪里？为什么它们没有最终进入星系？这是当今天文学中最大的两个谜题。
这种缺失的物质不同于暗物质和暗能量。那些是成分不明的物质，它们加起来占宇宙总质量的 96%。就星系数量而言，问题在于本应被充分理解的 4%。宇宙的这一部分是正常物质，由与我们的身体和我们周围的一切相同的物质构成——主要是重子，即包括质子和中子的粒子类别。其中大部分的消失是一个谜中之谜。不仅宇宙中大部分物质是黑暗且无法解释的，而且在少量正常物质中，只有一小部分被解释清楚。
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另一种说法是，星系形成过程必然是低效的。这就像一个农民播种了一整片田地的种子，但只有十分之一的种子发芽了。天文学家多年来一直在努力解释这怎么可能。新兴的答案要求我们不仅要修正我们关于星系如何形成的观念，还要修正我们对“星系”甚至是什么的观念。人们期望不理解奇异类型的物质；但得知我们仍然不理解世俗的物质，这更令人不安。
亲爱的，我们丢失了半个宇宙
几十年来，观测者一直在拼凑宇宙历史的时间轴，描述宇宙在不同进化阶段的内容。在这个过程中，逐渐明显的是，宇宙诞生之初存在的重子比我们今天能直接探测到的要多。
最初的重子物质数量实际上相当容易估计。此信息被编码到宇宙大爆炸的遗迹辐射中：宇宙微波背景辐射。威尔金森微波各向异性探测器和普朗克空间天文台等最先进的实验探测到这种辐射温度的微小波动，这些波动的分布反映了星系尚未形成时宇宙的重子密度。一个独立的验证来自氦、氘和锂丰度的测量。这些元素是在宇宙最初几分钟内合成的，相对数量取决于重子物质的总量。这两种技术都表明，重子物质的总量应占今天宇宙质量的 4%。
最初，所有重子都以热气体的形式存在，充满了空间。在初始物质密度较高的区域，引力导致气体凝结成越来越稠密的云团，这是星系形成的起点。天文学家通过分析来自遥远的明亮类星体的光线，探测到了早期宇宙中的这个气体库。类星体是什么现在并不重要；只需将它们视为极其明亮的光源，为星系际空间中漂浮的原始气体提供背光。当来自类星体的光线穿过寒冷的、中性的氢云时，气体会吸收一些光子。由于气体只吸收特定能量的光子，因此它会在类星体光谱中的一个非常特定的波长处留下一个明显的下降：天文学家称之为吸收线。
来自类星体的一束光线在其穿越宇宙的旅程中可能会穿过数百个这样的云团，并且每个云团都可以在略微不同的波长处留下吸收线，具体取决于云团与观测者的距离。通过总结这些下降，我们可以计算出有多少重子被锁定在这些云团中。结果表明，早在宇宙大爆炸后五十亿年，或大约九十亿年前，最初分配的重子仍然可以被解释。大多数重子漂浮在星系际空间中，尚未坍缩成发光星系 [参见埃文·斯坎纳皮科、帕特里克·佩蒂让和汤姆·布罗德赫斯特的“最空旷的地方”；大众科学，2002 年 10 月]。
在过去的九十亿年中，我们今天看到的大多数星系都形成了，它们是由那 vast 原始氢气库产生的。一旦进入星系内部，重子就会被重新处理并呈现出各种形式：恒星、恒星遗迹、中性气体（原子和分子）、电离气体、尘埃、行星、人类。我们可以通过测量它们在整个电磁频谱中的发射来审计这些不同形式的重子的质量。例如，可见光和近红外光揭示了恒星的质量；独特的无线电发射线表示中性原子氢的数量；红外光揭示了星际尘埃。通过这些方式，天文学家对我们周围所有星系中不同阶段的重子进行了普查，而问题就出在这里：总数仅占早期宇宙中存在的重子初始库存的 10%。据推测，它们并没有简单地消失；它们仍然存在于星系之间的广阔空间中。但为什么我们看不到它们呢？
关于 WHIM
天文学家知道在哪里可以找到一些星系际重子。被称为星系团的密集星系群充满了弥散的电离气体或等离子体。星系团的强引力场将离子加速到高速，使等离子体的温度达到数亿开尔文，足以使其发出 X 射线。XMM-牛顿和钱德拉等空间望远镜经常通过这种 X 射线发射来探测星系团。但星系团很少见，因此其中的气体仅占重子的另外 4%。当我们把我们在星系、星系团和星系际空间其他地方可以看到的所有重子加起来时，它们大约占总数的一半，至少还有相当于 5000 亿个星系等待被发现。
为了平衡账目，普林斯顿大学的任悦岑和耶利米·P·奥斯特里克以及亚利桑那大学的罗梅尔·达韦及其合作者在十年前推测，缺失的重子就在那里，但已经演变成难以探测的阶段。这种难以捉摸的成分的特性与包括世俗物质和奇异物质在内的所有类型宇宙物质发展成天文学家所称的大尺度结构的方式有关。
在引力的作用下，暗物质已将自身拉入一个巨大的骨架网络，该网络交织着宇宙。星系团实际上只是这个宇宙网的高密度节点。在星系团外部，大多数星系聚集在密度较低的星系群中或排列成长丝状。星系际气体在引力的作用下被长丝吸引，并且正如模拟所表明的那样，当它落入时，会被冲击波加热到 100,000 开尔文到数千万开尔文的温度范围。这听起来很热，但按照星系团内气体的标准来看，这只是温热。它足够热以保持高度电离，但又太冷而无法发出 X 射线。
岑、奥斯特里克和达韦将这种物质称为温热星系际介质，或 WHIM。如果我们能够通过经验证实其存在和范围，我们或许能够确定缺失重子的位置和状态。
探测 WHIM 最有希望的方法是寻找诸如电离氧或氮等痕量成分，它们会吸收特定波长的紫外线或 X 射线。事实上，天文学家可以应用我们用于早期宇宙中寒冷氢云普查的相同吸收线技术；也就是说，我们可以寻找类星体光谱中的下降，这些类星体为 WHIM 提供背光。我们已经有了一些诱人的瞥见。在紫外线方面，哈勃太空望远镜和现已报废的远紫外光谱探测器 (FUSE) 探测到了强电离氧的吸收。第一个暗示出现在十多年前，当时 WHIM 的概念还很新颖。马萨诸塞大学阿默斯特分校的托德·M·特里普和威斯康星大学麦迪逊分校的布莱尔·D·萨维奇在类星体 PG 0953+415 的远紫外光谱中探测到了电离氧吸收。在过去十年中，随着探测器技术和仪器的改进，已经进行了更多观测，最近的一次是在哈勃望远镜上安装了宇宙起源光谱仪。虽然具有强电离氧的系统似乎很丰富，但这种离子仅追踪 WHIM 中相对较冷的部分。为了追踪更丰富的热气体，我们必须搜索更高电离物种的吸收。
加州大学欧文分校的方涛涛及其合作者使用了 X 射线望远镜钱德拉和 XMM-牛顿来窥探本星系群中巨大的星系串——玉夫座墙的间隙——这是理想的 WHIM 狩猎区域。他们发现了氧的吸收，这种氧被强烈电离，几乎失去了所有电子。该团队估计，这种 WHIM 成分中的总重子密度与宇宙学模拟结果一致。
尽管令人鼓舞，但这些观测只是冰山一角。观测很困难：WHIM 信号很弱，我们通常在仪器设备的技术极限下工作。即使我们确实探测到吸收，我们也必须对气体的组成做出许多假设，才能推断出更广泛的 WHIM 特性。更重要的是，吸收线技术依赖于偶然放置的类星体。类星体很少见，明亮的类星体更是如此，这使得 WHIM 狩猎有点像彩票。尽管如此，我们认为我们知道缺失的重子在哪里以及如何探测到它们。许多天文学家现在正致力于绘制 WHIM 的正确分布图。
重子之战
WHIM 的存在在一定程度上解释了为什么星系形成如此低效。大尺度结构的演化使得星系际气体过于稀薄和炽热，无法积聚成星系形成所需的寒冷、致密的水池。当然，很明显，一些重子确实变成了星系，否则我们就不可能在这里。
另一件事也很清楚：星系形成过去效率更高。大约八十亿年前，恒星的平均诞生率是今天的 10 到 20 倍。我们今天看到的大多数星系都是在那时形成的。为了解释为什么星系形成如此急剧地放缓，天文学家不得不重新思考我们关于星系如何诞生的基本模型。
原则上，星系的配方非常简单。在德国加兴马克斯·普朗克天体物理研究所的西蒙·D·M·怀特和英国杜伦大学的卡洛斯·S·弗伦克在 20 世纪 90 年代率先提出的模型中，星系在被称为晕的巨大暗物质团块内生长，晕的引力像水流进下水道一样吸入周围的气体。在这个模型中，一些气体在冲入晕时会被冲击波加热，然后通过发射辐射冷却，使其能够聚集成一个有凝聚力的天体。一旦进入星系内部，气体可以进一步冷却并坍缩成分子氢云。在引力收缩下，这些云最终可以达到制造恒星所需的密度。更大的星系可以通过较小星系的合并而增长。
然而，怀特和弗伦克认识到他们的模型不可能是故事的全部。例如，并非所有流入星系的气体都会被冲击加热到高温。但是，暗晕内气体吸积的基本图景为天文学家提供了一个坚实的框架，用于理解星系形成的原理。在过去的 20 年里，该领域蓬勃发展。理论家们以越来越详细的方式探索了气体流动的物理学，完善了原始模型。最近对宇宙学模拟中气体热力学演化进行的高分辨率计算机模型表明，早期宇宙中一些流入年轻星系盘的气体是以相对寒冷（10,000 至 100,000 开尔文）和狭窄（几千光年宽）的流的形式进行的。这些冷流似乎穿透了较热的晕气体并直接供给星系。
没有人见过这个过程的实际发生：气体吸积到星系上的详细物理学很复杂，不同的模拟预测会略有不同。撇开这些警告不谈，天文学家现在接受所有星系都是从原始气体的引力积累中建立起来的，无论是加热和冷却的气体还是从未加热过的气体。
这个模型的问题是，气体流入星系的过程不能无限制地进行下去。如果真的这样，星系就会变成怪物，但我们知道它们不会：今天的星系质量范围有限。早期的模型似乎很好地再现了观测到的星系质量范围，但事后看来，它们之所以有效，只是因为天文学家使用的重子总密度值约为当前值的一半。随着对重子分数的新测量将该值向上修正，理论家们将此信息输入模拟，并意识到他们的模型宇宙中充斥着自然界中看不到的大量大质量星系。
另一个问题是，模型预测会有大量小的暗物质团块，它们会聚集成越来越大的天体。真实的星系不遵循这种模式。观测者看到的矮星系数量远少于模型预测的数量，而且最大质量的星系似乎形成得快速而高效，而不是通过逐渐组装较小的碎片。
模型显然缺少一个关键成分。一定有什么东西在调节星系中气体的冷却和恒星的形成。这个过程使得小型星系在形成恒星方面效率低下，并限制了大质量星系的大小。理论家开始考虑各种额外的物理过程，这些过程将提供这种调节。这些过程统称为星系反馈，可以对抗或逆转气体引力坍缩成星系，从而限制可以形成的恒星数量。它们包括超新星爆炸、恒星的紫外线辐射和外流，以及潜伏在所有大质量星系核心的超大质量黑洞增长过程中释放出的巨大能量 [参见华莱士·塔克、哈维·塔纳鲍姆和安德鲁·法比安的“黑洞反冲”；大众科学，2007 年 3 月]。在最大质量的星系中，黑洞可能是最主要的反馈机制；在质量较低的系统中，超新星和恒星风更为重要。
所有这些过程的共同点是，它们将能量注入回周围介质。通过这种方式，星系可以阻止物质向内流动，阻止已经积累的气体形成恒星，或者在极端情况下，将重子喷射回星系际空间。考虑到反馈的模拟在再现观测到的各种星系方面做得更好。反馈不仅在调整星系的演化中起着至关重要的作用，它还可以重新供应、再加热和丰富 WHIM。通过冷却和加热的连续过程，重子在星系际空间和星系内的恒星和气体之间循环。星系的生长取决于宇宙历史上此消彼长的微妙力量平衡。理解这场重子之战改变了我们对星系形成的看法。
斑点学
对气体冷却和反馈的研究一直是过去十年天体物理学的主要焦点。没有经验数据，我们就无法测试这些模型。早期宇宙中流入星系的冷物质应该会通过氢气冷却时发出的漫射光来暴露自己。反馈可以从强烈恒星形成发出的明亮红外辐射以及超大质量黑洞周围环境发出的 X 射线或无线电辐射中推断出来。我们需要捕捉到这两个过程的实际发生。最近我们可能已经做到了。
大约十年前，加州理工学院的查尔斯·斯泰德尔及其合作者发现了一种新型天体，它似乎符合冷却观测特征的条件：莱曼-α 斑点。永远不要说天文学家对他们的命名感到紧张；“斑点”确实是技术术语。莱曼-α 指的是氢气发射的光的特定频率之一。这些斑点似乎是发光的云团，直径达 30 万光年——远大于我们的银河系——使它们成为早期宇宙中最大的发光天体之一。天文学家后来发现了数十个这样的斑点。观测到的莱曼-α 光芒与冷气体流入年轻星系的辐射特征的理论预测惊人地相似。
另一方面，许多其他天体物理过程也可能引起莱曼-α 发射。例如，紫外线或星系尺度风可以向斑点泵入能量并使其发光。利用钱德拉望远镜，我和我的同事们已经表明，许多斑点包含具有活跃增长的黑洞的星系，这些黑洞在 X 射线中发出明亮的光芒。通常，这种活动伴随着强烈的恒星形成，这可以通过来自遮蔽恒星诞生地的尘埃层的红外发射来揭示。我们已经计算出，这些过程释放的能量足以驱动莱曼-α 发射。因此，也许斑点的光芒不是由冷却引起的，正如许多人认为的那样，而是由加热引起的。
这些斑点并没有使事情变得更清楚，反而使情况变得有些混乱。但这正是我对这个领域感到兴奋的原因——如果我们知道所有的答案，那就不是科学了。我们现在必须设计和进行新的观测，以试图揭示真正发生的事情。但无论如何，斑点正是那种可以填补我们对星系起源理解中一些主要空白的天体。
年轻活跃星系周围的星系际介质被辐射淹没的观测结果可能有助于解决星系形成模型的另一个问题。非常高分辨率的暗物质模拟预测，像银河系这样的星系应该伴随着数千个质量较低的矮星系，像蜜蜂围绕蜂巢一样围绕它们嗡嗡作响。虽然银河系确实有一些矮星系伴星，但它们远少于模拟预测的数量。
一种解决方案可能是矮星系确实在早期宇宙中形成了，但它们的母星系用辐射和风暴轰击了它们。这种冲击剥夺了矮星系设法积累的所有重子，只留下贫瘠的暗物质团块，这些团块从此潜伏在母星系的边缘。较大的星系在重子之战中达成了休战，但较小的星系则彻底输掉了这场战斗。
什么是星系？
科学家可能拥有的最令人兴奋的经历莫过于对世界的看法发生巨变的感觉。对我来说，当我要重新评估我对“星系”的看法时，就出现了这种感觉。传统上，我们将发光星系视为孤立且离散的岛屿宇宙，正如德国哲学家伊曼努尔·康德所说的那样。在某种意义上，这显然是正确的。但是，明亮的星系光岛只是更广阔但仍然难以捉摸的重子物质海洋的可见尖端。这种物质遍布宇宙，分布在一个巨大的、潜在的黑暗结构中，并受其塑造，通过引力不断演化。
所有这些重子都以相同的状态开始：一种炽热、原始的气体，迅速形成了氢和氦的基本元素，以及少量的氘和锂。我们认为的星系是由这种原始物质形成的，通过引力拉入密集的浓度中。但这些结构不是固定的重子群。物质在它们之间移动，这是自宇宙大爆炸以来一直在运行的巨大循环的一部分。引力和反馈的竞争影响导致气体冷却到星系上，然后又从星系中喷射出来。斯威本科技大学的罗布·克雷恩、荷兰莱顿大学的本杰明·奥本海默及其合作者最近进行的计算机模拟表明，目前锁定在本星系群星系中的重子中，有多达一半至少循环通过星系际介质一次，而且通常多次。构成你身体的重子已经参与这个循环近 140 亿年了；你指甲内的物质可能是在其他星系的恒星中形成的，然后在星系际空间中流亡数十亿年，才最终停留在我们的太阳系中。你只是一个短暂的阶段，一个短暂的宿主，承载着我们称之为“正常”的这种稀有物质。
这种重子循环的概念支撑着新兴的星系演化观点。你应该牢记的宏伟景象是，星系演化只是星系际介质大尺度演化的一小部分。重子宇宙主要是气态的，而不是星系的。星系际介质是各种力量的战场，在这一漩涡中，星系形成。星系只是一个处理阶段，在一个循环中不断地将重子从一个阶段转移到下一个阶段，并且在任何时候，宇宙中大多数重子都不在星系内部。
或许是出于情感，我们对星系怀有特殊的敬意：银河系是我们的宇宙栖息地，是在黑暗中一个辉煌、广阔、复杂的家园。从人择的角度来看，我们只是碰巧幸运地存在于这样一个时代：构成地球和地球上一切事物的重子都呈现出寒冷、稳定的形式。情况不会总是这样。大约五十亿年后，太阳的死亡将焚毁内行星，蒸发外行星，并逐渐将由此产生的重元素碎片散布回星际介质中。除非人类设法通过发展逃脱太阳系束缚的技术能力来欺骗这个循环，否则地球上所有物质事物的灰烬注定要被归还给宇宙，并得到丰富。因此，循环继续。