以下文章经许可转载自The Conversation，这是一个报道最新研究的在线出版物。
像我们银河系这样的星系是如何形成的？直到现在，回答这个问题时都涉及大量的推断。
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基本的故事是，气体聚集到大致球形的物质“光晕”的中心。然后气体冷却、凝结、分裂，并最终坍缩形成恒星。几代恒星形成了星系，并随之产生了重元素——例如碳、氧等等——它们构成了我们的元素周期表和我们熟悉的物理世界。
像我这样的天体物理学家主要通过理论研究拼凑出这张图景。 我们在世界上最大的超级计算机上运行数值模拟，以捕捉控制星系形成过程——引力坍缩、加热、 辐射冷却——的高保真过程。
为了研究许多这些过程，我们主要局限于这种理论探究，因为我们没有观测它们的技术能力。但是，随着我们见证了我们认为是“大型天文台”的兴起，情况发生了变化：美国宇航局的 哈勃太空望远镜，夏威夷莫纳克亚山的双 10 米 凯克望远镜，以及最近位于智利北部的 阿塔卡玛大型毫米/亚毫米波阵列 (ALMA)。借助这些设施，天文学家一直在寻求测试和完善星系形成理论的原则，特别是控制星系组装和恒星形成的过程。
我们小组发布的新数据，基于 ALMA 的观测，相对于之前的观测来说，确实具有变革性。它们使我们能够直接成像新生星系中的气体——这是以前不可能的——从而检验我们对星系形成的基本预测。
物理挑战
当我们尝试直接观测遥远的星系时，主要的挑战是来自如此遥远距离到达地球的非常微弱的信号。例如，我们出版物中研究的两个星系的光线已经传播了 120 亿光年才到达这里。这也意味着光线是 120 亿年前发出的，当时宇宙只有 15 亿年，星系还只是青少年。我尤其感兴趣的是研究为恒星形成提供燃料的气体，这些气体特别难以探测。
为了解决这个挑战，从 1986 年开始，我们小组——由已故的 Arthur M. Wolfe 领导——依靠一种间接的方法来研究遥远的星系。我们没有关注星系本身，而是记录了来自距离我们更远的类星体的光线。这使我们能够探测前景星系中的气体。
类星体 是由超大质量黑洞驱动的极其明亮的天体。当类星体的光穿过我们实际感兴趣的星系气体时，气体中的原子会在明确定义的波长处散射一小部分光。正是这些所谓的类星体光谱中的吸收特征是我们关注的焦点。气体正在将它的特征印在我们用望远镜收集到的光线上。
我们将望远镜收集到的光线通过一个光谱仪，这是一种使我们能够研究亮度随波长变化的仪器。然后我们可以推断出在我们和类星体之间实际上存在气体，并且我们可以定量测量气体的各种特性。
Arthur 在加州大学天文台的主要观测套件中使用了光谱仪，首先是位于利克天文台的肖恩 3 米望远镜上的仪器，然后在调试后，领导了对强大的凯克望远镜的研究。这些数据提供了估计值，包括气体表面密度、重元素富集、分子含量和星系的动态运动。
然而，这个观测实验是有限的。它几乎没有提供关于星系质量、大小或恒星形成的信息——所有这些对于星系的构成都至关重要。测量这些属性对于理解像我们银河系这样的星系的形成历史至关重要。
下一代观测
2003 年，我们报告说，当时未来的ALMA 望远镜将是一个真正的游戏规则改变者，它使我们能够直接成像新生星系中的气体。我们需要等待十多年才能开始，因为望远镜正在建造中——所以我们有足够的时间来仔细确定最佳目标并完善我们的观测策略。
所有的等待和计划现在都得到了回报。Arthur 的最后一位博士生 Marcel Neeleman，刚刚发布了我们使用 ALMA 的第一个结果，这些数据非常壮观。在这里，与我们之前的工作相比，我们测量了来自星系本身气体的光，这揭示了恒星形成区域的大小和形状。而我们所看到的与我们预期的不同。
ALMA 收集人眼看不到的波长的光。我们专注于目标星系中的两个来源：电离碳和温暖的尘埃，它们都围绕着新恒星的诞生地。我们能够根据星系内电离碳发出的光创建地图，我们首先通过我们的旧技术在吸收中检测到该星系。
值得注意的是，星系的稠密、恒星形成气体与类星体光谱最初揭示的氢气大大偏移（大约 100,000 光年或 30 千秒差距）。这个距离表明，年轻的星系被大量的非电离中性气体储层所包围。我们进一步认为，在吸收中检测到的气体可能会重新吸积回星系，并为未来的几代恒星提供燃料。
ALMA 数据还独特地解析了星系气体内部的运动。我们对动力学的分析表明，气体配置在一个大型星盘中——类似于我们的银河系——并以大约 120 公里/秒的速度旋转。这个速度是理论预测的此类星系的前身所具有的特征。
最后，我们检测到了星系中“温暖”尘埃的排放。（当然，温暖是相对的——在这种情况下，仅比绝对零度高出 30 摄氏度左右。）我们认为尘埃是被年轻的大质量恒星加热的；我们估计该星系正在以每年超过 100 个太阳的速度形成恒星，这是一个惊人的和早熟的速度。
这些数据证明了 ALMA 在发现和剖析像我们这样的星系的前身方面的力量和潜力。它们对于完善我们对星系在空间和时间上的积累的理解将是无价的。
尽管社区中的许多人对 ALMA 持有一些保留意见（考虑到其巨大的成本），但现在对我来说，很明显回报将是非凡的。ALMA 的研究已经在原行星盘的发现中得到了回报，行星从原行星盘中形成，并解开了恒星形成过程的隐藏秘密。ALMA 将继续极大地推进我们对像银河系这样的星系如何形成的理解。
本文最初发表于The Conversation。阅读原文。