夜空中星系如沙粒般繁多，这总是让我感到震惊和着迷。哈勃超深空场是人类有史以来制作的最灵敏的光学图像之一，在一个大约相当于满月面积 1/100 的区域内捕捉到了大约 10,000 个星系。按此密度推算到整个天空，则总共约有 2000 亿个星系。而这仅仅是最明亮的星系；真实的数目可能要大得多。所有这些星系是如何形成的？这个问题启发我成为一名天文学家，并且一直是我的研究生涯的重点。多年来，我对星系的幼稚看法已经改变。从数量上看，大自然似乎非常擅长制造星系。并非如此。如果你把今天星系中所有可见物质加起来，你得到的只有大爆炸创造的总量的十分之一左右。其余的物质在哪里？为什么它们没有最终进入星系？这是当今天文学界最大的两个谜团。
这种缺失的物质不同于暗物质和暗能量。暗物质和暗能量是成分不明的物质，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 5%。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。其中大部分物质的缺失是一个谜中之谜。不仅宇宙中的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。
另一种说法是，星系的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。人们不期望理解奇异类型的物质；更令人不安的是，我们仍然不理解世俗的物质。
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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线，描述宇宙在不同演化阶段的内容。在这个过程中，逐渐显而易见的是，宇宙诞生之初存在的重子比我们今天可以直接探测到的要多。
最初的重子物质的数量实际上相当容易估计。此信息被编码到来自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了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的几分钟内合成的，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 5% 左右。
最初，所有重子都以热气体的形式充满太空。在初始物质密度较高的区域，引力导致气体聚集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明亮遥远类星体的光线，探测到了早期宇宙中的这种气体库。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一团冷的、中性的氢气云时，气体会吸收一些光子。由于气体只吸收特定能量的光子，因此它会在类星体的光谱中留下一个明显的下降，位于一个非常特定的波长：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，每个云团都可能在略有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。通过将这些下降加起来，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 50 亿年，或大约 90 亿年前，最初分配的重子仍然可以被解释清楚。大多数重子漂浮在星系际空间中，尚未坍缩成发光的星系 [参见 《最空旷的地方》，作者：埃文·斯坎纳皮科、帕特里克·珀蒂让和汤姆·布罗德赫斯特；《大众科学》，2002 年 10 月]。
在随后的 90 亿年中，我们今天看到的大多数星系都形成了，它们是由那巨大的原始氢气库形成的。一旦进入星系内部，重子就会被重新处理并呈现出各种形态：恒星、恒星遗迹、中性气体（包括原子和分子）、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辐射来审计这些不同形态的重子的质量。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标志着中性原子氢的数量；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重子的所有不同阶段进行了普查，而这里就出现了差异：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。但是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。被称为星系团的稠密星系群充满了弥散的电离气体或等离子体。星系团强烈的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 射线光芒。XMM-牛顿和钱德拉等空间望远镜经常通过这种 X 射线辐射探测星系团。但星系团很稀有，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，至少留下相当于 5000 亿个星系等待被发现。
为了平衡账目，普林斯顿大学的任岳岑、哥伦比亚大学的耶利米·P·奥斯特里克、亚利桑那大学的罗梅尔·戴夫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普通物质和奇异物质在内的所有类型宇宙物质如何发展成天文学家所称的大尺度结构有关。
在引力的影响下，暗物质已经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。在星系团之外，大多数星系聚集在低密度星系群中，或排列成细长的丝状结构。星系际气体在引力的作用下被吸引到丝状结构中，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。这听起来很热，但按照星系团内部气体的标准来看，这只是温热的。它足够热以保持高度电离，但又太冷以至于无法发出 X 射线。
岑、奥斯特里克和戴夫将这种物质称为温热星系际介质，或 WHIM。如果我们能够凭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微量成分，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普查早期宇宙中冷氢云的相同吸收线技术；也就是说，我们可以寻找为 WHIM 提供背光的类星体光谱中的下降。我们已经有了一些诱人的线索。在紫外线方面，哈勃太空望远镜和现已失效的远紫外光谱探测器 (FUSE) 探测到了强电离氧的吸收。第一个线索出现在十多年前，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，更多的观测随之而来，最近的改进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，我们必须寻找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利用 X 射线望远镜钱德拉和 XMM-牛顿窥探了玉夫座墙的间隙，玉夫座墙是本星系群中一个巨大的星系链——是理想的 WHIM 狩猎场。他们发现了氧的吸收，这种氧的电离程度非常高，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。
虽然令人鼓舞，但这些观测只是冰山一角。观测很困难：WHIM 信号很弱，而且我们通常在仪器的技术极限下工作。即使我们确实探测到吸收，我们也必须对气体的成分做出许多假设，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，明亮的类星体就更少了，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 的正确地图。
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炙热，无法积累成星系形成所需的冷而稠密的池塘。但显然，一些重子确实变成了星系，否则我们就不会在这里了。
另一件事也很清楚：星系形成过去效率要高得多。大约 80 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速度急剧放缓，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·弗伦克于 20 世纪 90 年代开创的模型中，星系在被称为晕的大质量暗物质团块内生长，晕的引力像下水道的塞子一样吸入周围的气体。在这个模型中，一些气体在冲入晕时被冲击波加热，然后通过辐射冷却，使其能够聚集成一个有凝聚力的天体。一旦进入星系内部，气体就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就是全部。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，以理解星系形成的原理。在过去的 20 年里，该领域蓬勃发展。理论家们更详细地探索了气体流动的物理学，改进了最初的模型。最近对宇宙学模拟中气体热力学演化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以相对冷（10,000 至 100,000 开尔文）和狭窄（几千光年宽）的流的形式进行。这些冷流似乎穿透了更热的晕气体，并直接供给星系。
没有人见过这个过程的实际运作：气体吸积到星系上的详细物理学非常复杂，不同的模拟预测的结果略有不同。抛开这些注意事项，天文学家现在接受所有星系都是由原始气体的引力积累形成的，无论是加热和冷却的气体，还是从未加热过的气体。
这个模型的问题在于，气体流入星系的过程不可能持续下去。如果真的这样，星系会成长为怪物，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，它们之所以奏效，仅仅是因为天文学家使用的总重子密度值约为当前值的一半。随着对重子分数的最新测量向上修正了该值，理论家们将此信息输入模拟，并意识到他们的模型宇宙受到自然界中未见的大量大质量星系困扰。
另一个问题是，模型预测了大量小的暗物质团块，这些团块聚集成越来越大的天体。真实星系并不遵循这种模式。观测者看到的矮星系数量远少于模型预测的数量，而且质量最大的星系似乎形成得又快又有效，而不是通过逐渐组装较小的碎片而成。
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。这个过程使得小星系形成恒星的效率低下，并限制了大质量星系的大小。理论家们开始考虑各种额外的物理过程来提供这种调节。这些过程统称为星系反馈，可以对抗或逆转气体因引力坍缩到星系中，从而限制可以形成的恒星数量。它们包括超新星爆发、恒星的紫外线辐射和外流，以及所有大质量星系核心中潜伏的超大质量黑洞生长过程中释放的巨大能量 [参见 《黑洞反冲》，作者：华莱士·塔克、哈维·塔纳鲍姆和安德鲁·法比安；《大众科学》，2007 年 3 月]。在质量最大的星系中，黑洞可能是最主要的反馈机制；在质量较小的系统中，超新星和恒星风更为重要。
所有这些过程的共同点是，它们都将能量注入回周围的介质中。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。反馈不仅在调节星系的演化中起着至关重要的作用，而且还可以重新供应、重新加热和丰富 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部的恒星和气体之间循环。星系的生长取决于宇宙历史中此消彼长的微妙力量平衡。理解这场重子之战，彻底改变了我们对星系形成的看法。
斑点学
过去十年，对气体冷却和反馈的研究一直是天体物理学的一个主要焦点。没有经验数据，我们就无法测试模型。早期宇宙中流入星系的冷物质应该通过氢气冷却时发出的漫射光来显现自身。反馈可以从强烈恒星形成的明亮红外辐射以及超大质量黑洞周围环境的 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 15 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类新的天体，它们似乎符合冷却观测特征：莱曼阿尔法斑点。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。莱曼阿尔法指的是氢气发出的一种特定频率的光。这些斑点似乎是发光的云团，直径达 300,000 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。天文学家此后发现了数十个斑点。观测到的莱曼阿尔法光芒与理论预测的流入年轻星系的冷气体的辐射特征非常相似。
另一方面，许多其他天体物理过程也可能导致莱曼阿尔法发射。例如，紫外线或星系尺度的风可以将能量泵入斑点并使其发光。利用钱德拉，我和我的同事已经证明，许多斑点包含具有活跃生长的黑洞的星系，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，这可以从遮蔽恒星诞生地的尘埃层的红外辐射中揭示出来。我们已经计算出，这些过程释放的能量足以驱动莱曼阿尔法发射。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，反而使情况变得更加复杂。但这正是我对这个领域感到兴奋的地方——如果我们知道所有答案，那就不叫科学了。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，斑点正是可以填补我们对星系起源理解中一些主要空白的那种天体。
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。暗物质的超高分辨率模拟预测，像银河系这样的星系应该伴随着数千个质量较小的矮星系，像蜜蜂围绕蜂巢一样嗡嗡作响。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。
一种可能的解决方案是，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。这种猛烈的轰击剥夺了矮星系设法积累的任何重子，只留下贫瘠的暗物质团块，这些团块从此以后一直潜伏在母星系的边缘。较大的星系在重子之战中达成休战，但较小的星系则彻底输掉了这场战争。
什么是星系？
科学家可能拥有的最令人振奋的体验莫过于对世界的看法发生巨变的感觉。对我来说，当我不得不重新评估我对“星系”的看法时，这种感觉就来了。传统上，我们将发光的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，分布在广阔的、潜在的黑暗结构中，并受其塑造，通过引力不断演化。
所有这些重子都从相同的状态开始：一种炙热的、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材料形成的，通过引力被拉入密集的集中区。但是这些结构不是固定的重子群。物质在它们之间移动，作为自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。荷兰莱顿大学的罗布·克莱恩和本杰明·D·奥本海默及其合作者的最新计算机模拟表明，当前锁定在本星系群中的星系中，多达一半的重子至少循环通过星系际介质一次，甚至多次。构成你身体的重子已经参与了这个循环近 140 亿年；你指甲中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放数十亿年，然后才在我们的太阳系中安家落户。你只是一个短暂的阶段，一个短暂的宿主，给这种我们称之为“正常”的稀有物质。
重子循环的概念支撑着新兴的星系演化观点。你应该记住的大局是，星系演化只是星系际介质大尺度演化的一个小组成部分。重子宇宙主要由气体组成，而不是星系。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，在一个不断将重子从一个阶段转移到下一个阶段的循环中，而且在任何时候，宇宙中大部分重子都不在星系内部。
也许，从情感上讲，我们对星系怀有特殊的敬意：银河系是我们的宇宙家园，一个黑暗中辉煌、广阔、复杂的家园。从人择的角度来看，我们恰好足够幸运地存在于这样一个时代，即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。情况并非总是如此。大约 50 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分散回星际介质中。除非人类设法通过发展逃离太阳系限制的技术能力来欺骗循环，否则地球上每件事物的灰烬注定要被归还，并得到丰富，回归宇宙。因此，循环继续。