远古星系团为早期宇宙提供线索

就像树木、人类和恒星一样，星系也有生命周期。当足够的气体和恒星结合形成一个连贯的结构时，一个星系就诞生了——也许它最初是一团气体，缓慢地聚集质量，或者它可能由两个或多个云团的碰撞形成。无论哪种方式，一旦形成，星系的一生都在制造恒星，利用其气体库来创造微小的熔炉，在其中核聚变燃烧元素以释放光和能量。一个被认为是“活着的”星系在紫外光中强烈发光，这是年轻、明亮和炽热恒星的信号。随着这些恒星老化，它们的光从炽热的蓝色变为凉爽的黄色或红色。当一个星系主要包含黄色和红色恒星，并且几乎不发出紫外光时，我们认为它已经退休，或者“红而死”。最终，如果质量足够大，它会变成一个球状体，称为椭圆星系，它可能永远不会再次诞生新的恒星。

在我们周围的附近空间——比如说，在3亿到6亿光年内——天文学家看到死亡或垂死的椭圆星系聚集在一起，形成巨大的组合，称为星系团。这些星系团保存着有史以来形成的最巨大星系的化石遗骸——成百上千个星系在彼此之间缓慢地跳舞，在引力作用下永远束缚在它们永久的坟墓中。

但是星系团给天文学家带来了一个难题。大多数星系团似乎在宇宙只有当前年龄的一半时就已经建立起来了。这意味着这些星系团内的星系一定在宇宙历史的早期就诞生了它们所包含的大部分恒星。看来这些星系成长到银河系或更大的规模，但速度却快了多达100亿年。年轻的星系团，称为原星系团，这些星系在其中形成，一定是非常剧烈和活跃的地方，充满了以惊人速度产生恒星的星系。我们目前对物理学的理解还不能完全解释它们是如何如此迅速地变得如此巨大的。

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直到最近，天文学家才拥有必要的望远镜工具来找到原星系团，它们非常遥远（它们的光通常需要 travel 100亿年或更长时间才能到达我们），并且经常将其最巨大的星系成员隐藏在尘埃后面。在过去的几年里，科学家们发现了两个原星系团，它们为了解星系团的生长提供了一个前所未有的窗口。后续观测表明，它们实际上是活跃且巨大的——如此巨大以至于它们挑战了我们对星系形成的理解。如果我们能够解开星系团提出的谜题，我们可能会重新定义我们对宇宙演化的理解。

寻找星暴

最常见的恒星形成星系类型每年产生大约一颗到几十颗太阳质量的恒星。这些通常被称为正常恒星形成星系。银河系就属于这一类。正常恒星形成星系是隐喻的乌龟，在 100 亿年左右的时间里缓慢而稳定地形成恒星，保持蓝色和盘状，并以悠闲的速度耗尽其新鲜气体（新恒星的燃料）的储备。

每年产生数百到数千颗恒星的星系被称为星暴星系。这些是星系演化中的兔子。在最多可能 3 亿年的时间里，这些星系爆发式地出现，尽可能快地形成尽可能多的恒星，并在宇宙眨眼之间耗尽燃料。星暴星系生活迅速，死得也早。天文学家认为，它们是我们今天在星系团中看到的巨大、死亡的椭圆星系的最佳候选祖先。

如果我们在太空中看得足够深，我们就会发现充满星暴星系的原星系团——未来的死亡星系团。然而，事实证明，在原星系团中寻找星暴星系具有挑战性。直到最近，我们大多数用于探测星系团的方法都是为了优先选择垂死的椭圆星系或弥漫在它们之间空间中的热气体而开发的。椭圆星系和热星系团内气体出现在星系团演化的后期阶段，因此我们需要新的方法来找到它们更蓝、更活跃的恒星形成婴儿对应物。更困难的是，原星系团通常在天空中分布很广，因为星系尚未完全聚结成我们今天看到的密集结构。当我们最著名和最精确的望远镜的相机跨度只有铅笔的宽度时（例如哈勃太空望远镜），我们无法拼凑出在天空中的距离比我们望远镜的视场大 100 倍以上的原星系团拼图碎片，这并不奇怪。

其他搜索方法，例如系统地survey大片天空，往往会错过星暴星系，因为它们经常被尘埃遮蔽。星暴中异常的恒星生长产生了过量的重金属，这些重金属是在恒星的爆炸性死亡中产生的。一旦分散到太空，铁、碳和金等重元素碰撞形成复杂的尘埃分子，这些分子会吸收和遮蔽紫外光和可见光。想想野火季节变红的太阳：尘埃会使较热、能量更高的蓝光变暗，同时让较红的光线偷偷溜过。结果是，当用光学和紫外望远镜观察时，星暴星系几乎是不可见的，但当在较冷的红外光谱中观察时，它们像灯塔一样闪耀。

所有这些都意味着，直到最近，用于寻找和研究原星系团的工具通常会错过关键的星系群。从 1990 年代后期到 2010 年代初期，亚毫米波通用用户测辐射热计阵列、赫歇尔太空天文台、南极望远镜和斯皮策太空望远镜通过揭示数百万个以前不可见的星系，彻底改变了我们对被尘埃遮蔽的宇宙的理解。大约在 15 年前，天文学家开始研究尘埃星暴的聚集特性，他们发现这些强大的星系优先居住在其他大型和活跃的恒星形成星系附近。但是技术水平仍然落后于我们的雄心壮志；红外和毫米波望远镜的分辨率仍然很低，以至于多个星系会混合成一个大的物体，即使这些星系相距遥远，但位于相同的视线方向上。红外宇宙的时代已经到来，但我们需要更清晰、更灵敏的仪器来充分理解我们所看到的东西。

最终，在 2013 年，阿塔卡玛大型毫米/亚毫米波阵列（ALMA）问世了。这个位于智利沙漠高处的近 70 个射电天线集合作为一个单一的望远镜协同工作，分辨率比赫歇尔望远镜高出 600 倍。ALMA 改变了天文学的许多角落，包括星系演化。（我认识几个人身上纹有献给这架望远镜的纹身。）该天文台非常擅长探测整个恒星形成星系中被尘埃覆盖的气态恒星育儿室。借助它，天文学家发现了既令人震惊又令人兴奋的系统。

令人惊讶的巨兽

2018 年，两个独立的 天文学家团队使用 ALMA 研究了他们能在遥远宇宙中找到的最亮的红外物体。每个团队都发现了一个不同的尘埃星暴星系集合，这些星系以前混合在一起，在第一代红外望远镜进行的巡天调查中隐藏为一个星系。SPT2349-56，一个由 14 个星系组成的星系群，以及遥远红色核心（DRC），一个由 10 个星系组成的星系群，都被发现在宇宙的不同角落生长和繁荣，当时宇宙只有当前年龄的 10%。我们看到这两个正在萌芽的原星系团都经历了极端的星暴——每个星系群每年诞生的恒星质量几乎是银河系的 10,000 倍——体积只有我们本星系群（包括我们自己的星系加上仙女座星系和几个较小的星系）的一半大小。对原星系团的各个气体库的估计告诉我们，如果这些星系继续以如此过度的速度形成恒星，它们将在短短几亿年内耗尽燃料供应，并成为完全成熟的星系团中无处不在的巨大红色死亡椭圆星系。此外，它们将在现代之前完成这个周期。

这两个被尘埃遮蔽的原星系团核心的发现为研究星系团的生长提供了一个有希望的新视角，但我们仍然遗漏了重要的一部分。 “称重”星系的最好方法是测量其成年恒星群发出的光，这需要来自整个电磁频谱的数据。但直到最近，所有对生活在宇宙前 20 亿年的原星系团的观测都是在狭窄的能量频谱（光学或红外）内进行的。然后，在 2018 年 9 月，我的同事和我第一次能够观察到来自一个被尘埃遮蔽的星暴原星系团的紫外线和可见光发射，这个原星系团是在 120 亿年前看到的：遥远红色核心。使用哈勃太空望远镜、双子座天文台和斯皮策太空望远镜，我们捕获了更深入地了解这个结构的过去和未来所需的多波长视角。

等待哈勃太空望远镜的数据可能会让人感到虎头蛇尾。您知道您的天空区域计划在某一天进行观测，但您不知道您何时真正收到数据：您只需要等待电子邮件通知告诉您检查存档即可。在我们原星系团观测计划安排的那天，我感觉每两分钟就检查一次电子邮件。当到了睡觉时间，但我的收件箱里什么也没到时，我很失望。

第二天早上，我不顾伴侣的抗议，立刻从床上滚下来，直接走到电脑旁，看看数据是否最终到了。幸运的是，它在午夜过后几个小时送达了。我开始下载，像一个等待轮到自己拆礼物的孩子一样焦躁不安地跳舞。最后，我打开了图像。没有什么语言可以形容成为第一个瞥见宇宙中其他人从未见过的部分的感觉。我感到有必要花点时间检查该区域中的每一颗恒星和星系，以承认它们的存在。最终，我回过神来，放大了我感兴趣的天空区域。我看到了令人惊奇的东西。

这片小小的空间区域是暴力的。那里至少一半的星系形状非常混乱，它们一定是最近撞到了附近的其他星系，或者仍然在碰撞过程中。当我们测量这些星系中成年恒星的数量时，我们发现了一些令人难以置信的东西——如此令人难以置信，以至于它可能对我们目前对宇宙的理解构成问题。早在这个早期，一些遥远红色核心星系形成的恒星数量已经是我们银河系的三倍——但时间却只有一小部分。然而，基于已知物理学的宇宙模拟很难在如此早期产生如此巨大的星系。模拟与观测之间的这种不一致加剧了我们自发现尘埃星暴星系以来就已知的问题。模拟星暴中看到的恒星形成的极端速度和密度很困难，因为物理学预测模拟星系要么应该将自己撕裂，要么升温到如此程度，以至于它们会吹走所有生长到足以与我们今天看到的情况相匹配的新鲜气体。

原星系团作为一个整体提出了另一个问题：它令人震惊地巨大。当我第一次测量它时，我简直不敢相信我的数字。我敲开我部门的门，以确保我的计算是正确的。两周后，我将结果带到一个会议上展示给我的合作者。一位说：“你的代码中一定有错误。”另一位问：“你确定你没有在某个地方重复计数吗？”（事实证明我的代码中确实有一个小错误，但这不足以解释巨大的测量结果。）最终，在仔细检查我的计算并尝试不同的方法后，这些测量结果变得无可辩驳。遥远红色核心似乎对于我们的宇宙来说太大了。我们不知道它是如何在如此短的时间内变得如此巨大的。

为了更好地了解它的体积以及恒星形式的质量有多少，我们专注于这个原星系团周围的暗物质晕的大小。暗物质是任何给定星系和整个宇宙中最丰富的物质形式。所有星系和星系团都被认为被这种神秘物质的斑点或晕环绕。尽管暗物质是不可见的且知之甚少，但暗物质留下了清晰的引力信号。有多种方法可以推断给定天文物体中暗物质的数量，而要涵盖这些方法还需要另一篇文章（或五篇）。

可以这么说，我们权衡了遥远红色核心的暗物质成分，根据我们的模拟，它包含的晕质量几乎是宇宙历史那个时期允许的最大晕质量。这种明显的暗物质过量意味着 DRC 可能非常大，以至于它违反了我们所理解的宇宙定律。当我们快进我们的模拟以估计 DRC 在演化 120 亿年到今天之后可能看起来的样子时，我们发现它可能会增长到比已知的最大星系团 El Gordo 更大。尽管我们的暗物质计算有健康的误差范围（这意味着它可能被高估了），但当我们考虑到我们的观测仅捕捉到可能的星系团成员的一小部分百分比时，这种差异看起来更糟；DRC 中可能还有更多的星系只是超出了我们望远镜的狭窄视场，因此未包含在我们的计算中。随着我们继续survey和研究这个原星系团，这种不匹配很可能会加剧。

重新思考时间线

我们对遥远红色核心的调查，以及其他潜在的类似原星系团的发现，迫使我们重新考虑我们对星系团形成的理解。由于星系团中的星系很可能是最早的星系之一，我们必须确定如此巨大的物体是如何如此迅速地形成的。这样做不仅仅是限制最早星系内部恒星形成的物理机制和化学性质的问题。这也是调查导致暗物质在引力作用下坍缩成晕，播种星系的条件的时间的问题。星系和结构是否有可能比我们想象的更早地开始在宇宙中形成？这对我们理解第一批元素的形成意味着什么？这些星系是否有可能锻造出合适的成分来建造恒星周围的宜居行星——并且可能孕育了宇宙中最早的一些生命形式？

这些问题中的一些可能在我有生之年无法得到解答，但我和其他天体物理学家正在努力快速地解决其他问题。我们已经在对这些已知的原星系团进行更多跨电磁频谱的观测。我们还在开发新的方法来识别大量尘埃原星系团候选者。通过更多的例子，我们或许能够确定像遥远红色核心这样的原星系团是所有星系团都要经历的常见但以前不可见的星系演化阶段的例子，还是仅仅是罕见现象。观测者和理论家正在形成新的合作，以了解在宇宙历史的早期，条件在何时才适合形成类似于我们已经发现的那些原星系团——空间中充满巨大恒星形成率和超大质量的过度密集区域。

测试我们物理模型的最佳方法是观察极端情况。在未来几年，这些巨大的特殊星系集合将考验人类对宇宙的掌握程度。