最近之前，大多数天文学家都认为宇宙已经进入了一个非常沉闷的中年时期。根据这种范式，宇宙的早期历史——也就是从大爆炸后大约六十亿年开始——是一个宇宙烟火的时代：星系碰撞和合并，强大的黑洞吸入巨大的气体漩涡，恒星以前所未有的速度诞生。相比之下，在随后的八十亿年中，星系合并变得不那么普遍，巨大的黑洞进入休眠状态，恒星形成减缓至微弱的闪烁。许多天文学家确信他们正在见证宇宙历史的终结，未来除了一个平静而衰老的宇宙无情的膨胀之外，别无其他。
然而，在过去几年中，新的观测结果清楚地表明，关于宇宙消亡的报道被大大夸大了。随着新的空间天文台和地面望远镜上的新仪器的出现，天文学家探测到最近在附近星系中发生的剧烈活动。（来自更遥远星系的光需要更长时间才能到达我们这里，因此我们观察到的这些结构处于更早的发展阶段。）通过检查这些相对较近的星系核心发出的X射线，研究人员发现许多极其巨大的黑洞仍在吞噬周围的气体和尘埃。此外，对不同年龄星系发出的光进行更彻底的研究表明，恒星形成率的下降幅度并没有之前认为的那么陡峭。
新兴的共识是，早期宇宙由少数包含巨大黑洞和惊人恒星爆发的巨型星系主导，而现在的宇宙则具有更分散的性质——恒星的创造和物质吸积到黑洞中现在发生在大量中小型星系中。本质上，我们正处于一场巨大的规模缩减之中，这场缩减正在重新分配宇宙活动。
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深场图像
为了拼凑宇宙的历史，天文学家必须首先理解他们观察到的惊人物体。我们对宇宙最敏感的光学视野来自哈勃太空望远镜。在哈勃深场研究中——对天空的两个微小区域进行为期10天的曝光，通过四种不同的波长滤镜观察——研究人员发现了数千个遥远的星系，其中最古老的可以追溯到大爆炸后约十亿年。一项更新的研究，称为哈勃超深场，揭示了更古老的星系。
然而，获得这些深场图像仅仅是开始。天文学家正在寻求了解最古老和最遥远的物体是如何演变成今天的星系的。这有点像了解人类婴儿如何成长为成年人。将现在与过去联系起来已成为现代天文学的主导主题之一。
朝着这个方向迈出的重要一步是确定宇宙地层学——在典型的深场图像中，数千个星系中哪些物体在前，哪些物体更远。执行此任务的标准方法是获取图像中每个星系的光谱并测量其红移。由于宇宙的膨胀，来自遥远光源的光被拉伸，使其波长向光谱的红色端移动。光向红色移动得越多，光源就越远，因此也越古老。例如，红移为 1 意味着波长已被拉伸了 100%——也就是说，拉伸到其原始大小的两倍。来自红移为 1 的物体的光是在大爆炸后约 60 亿年发出的，这还不到宇宙当前年龄的一半。事实上，天文学家通常用红移而不是年来谈论，因为红移是我们直接测量的。
获得红移是重建宇宙历史的万无一失的技术，但在最深的深场图像中，几乎不可能测量所有星系的红移。原因之一是图像中星系的绝对数量，但更根本的问题是一些星系固有的微弱性。来自这些昏暗物体的光以每平方厘米每分钟仅一个光子的涓涓细流到达。当观测者获取星系的光谱时，光谱仪的衍射光栅将光分散在探测器上的大面积区域上，使每个波长处的信号甚至更微弱。
在 20 世纪 80 年代后期，由夏威夷大学天文研究所的伦诺克斯·L·考伊 (Lennox L. Cowie) 和现在在苏黎世瑞士联邦理工学院的西蒙·J·莉莉 (Simon J. Lilly) 领导的团队开发了一种新颖的方法，以避免需要费力的红移观测。研究人员使用滤镜观察天空区域，这些滤镜选择紫外线、绿色和红色光谱中的窄波段，然后测量星系在每个波段中的亮度 [参见第 63 页的方框]。附近的恒星形成星系在所有三个波段中都同样明亮。来自恒星形成星系的本征光在紫外波段之外，在约 912 埃的波长处有一个清晰的截止点。（出现截止点是因为星系内部和周围的中性氢气吸收波长较短的辐射。）由于来自遥远星系的光被红移，截止点移动到更长的波长；如果红移足够大，星系的光将不会出现在紫外波段，如果红移更大，星系也不会在绿色波段中可见。
因此，考伊和莉莉可以将恒星形成星系分为大致指示其年龄的广泛红移区间。1996 年，加州理工学院的查尔斯·C·斯泰德尔 (Charles C. Steidel) 及其合作者使用此技术分离出数百个红移约为 3 的古老恒星形成星系，这些星系可追溯到大爆炸后约 20 亿年。研究人员通过使用夏威夷莫纳克亚山上强大的 10 米凯克望远镜获取星系的非常深的光谱，证实了许多估计的红移。
一旦测量了星系的红移，我们就可以开始重建恒星形成的历史。我们从对附近星系的观测中得知，少量的大质量恒星和大量的小质量恒星通常同时形成。对于每 20 颗诞生的类太阳恒星，只有一颗 10 个太阳质量的恒星（即质量是太阳质量 10 倍的恒星）被创造出来。大质量恒星发出紫外线和蓝光，而小质量恒星发出黄光和红光。如果已知遥远星系的红移，天文学家可以确定星系的本征光谱（也称为静止框架光谱）。然后，通过测量静止框架紫外线的总量，研究人员可以估计星系中大质量恒星的数量。
由于大质量恒星的寿命只有几千万年——按星系标准来看是很短的时间——它们的数量紧密跟踪星系整体恒星形成率的变化。随着恒星创造速度的减缓，大质量恒星的数量很快下降，因为它们在诞生后很快就死亡了。在我们自己的银河系中，它非常典型于附近的、巨大的螺旋星系，观测到的大质量恒星的数量表明，恒星的形成速度为每年几个太阳质量。然而，在高红移星系中，恒星形成率是其 10 倍。
当考伊和莉莉计算了他们观测到的所有星系中的恒星形成率时，他们得出了一个惊人的结论，即宇宙在大约 1 的红移处经历了一场名副其实的婴儿潮。1996 年，现在在加州大学圣克鲁兹分校的皮耶罗·马达乌 (Piero Madau) 将该技术应用于哈勃深场北部数据，由于四个波段中非常精确的强度测量，这些数据非常适合这种方法。马达乌将他的结果与现有的较低红移光学观测结果相结合，以改进对宇宙恒星形成历史的估计。他推断，当宇宙大约 40 亿至 60 亿年时，恒星形成率一定达到了顶峰。这一结果使许多天文学家得出结论，宇宙最好的日子已经远去。
一个引人入胜的故事
尽管马达乌对恒星形成历史的分析是一个重要的里程碑，但这只是故事的一小部分。使用光学望远镜进行的星系巡天无法探测到早期宇宙中的每个光源。星系越遥远，它受宇宙红移的影响就越大，并且在足够高的红移下，星系的静止框架紫外线和光学发射将被拉伸到光谱的红外部分。此外，由于超新星爆炸和其他过程产生的碎屑，恒星倾向于存在于非常尘埃的环境中。星光加热尘埃颗粒，然后尘埃颗粒在远红外波长处重新辐射能量。对于非常遥远的光源，被尘埃吸收并重新辐射到远红外中的光通过宇宙的膨胀而移动到亚毫米波长。因此，明亮的亚毫米光光源通常是强烈恒星形成的标志。
直到最近，天文学家才发现很难使用地面望远镜进行亚毫米观测，部分原因是大气中的水蒸气吸收了该波长的信号。但是，随着亚毫米通用测辐射热计阵列 (SCUBA) 的引入，这些困难得到了缓解，SCUBA 是一种于 1997 年安装在莫纳克亚山詹姆斯·克拉克·麦克斯韦望远镜上的相机。（该天文台位于海平面以上四公里的高度，高于大气中 97% 的水分。）几个研究团队（其中一个由我领导）使用 SCUBA 直接对天空区域进行成像，其灵敏度和区域覆盖范围足以发现遥远的、异常明亮的尘埃遮蔽光源。由于分辨率相当粗糙，星系呈现出斑点状的外观 [参见上图]。它们也相对罕见——即使经过许多小时的曝光，每个 SCUBA 图像上也几乎没有出现光源——但它们是宇宙中最明亮的星系之一。令人警醒的是，在 SCUBA 可用之前，我们甚至不知道这些强大的、遥远的系统的存在！它们的恒星形成率比当今星系的恒星形成率高数百倍，这再次表明宇宙过去比现在更令人兴奋。
发现所有这些先前隐藏的恒星形成是革命性的，但是宇宙是否可能掩盖了其他剧烈活动？例如，星系内的气体和尘埃也可能掩盖了围绕超大质量黑洞（质量高达数十亿个太阳质量）旋转的物质盘发出的辐射。这些盘被认为是类星体的动力源，类星体是高红移处发现的极其明亮的天体，也是许多附近星系中心的活动星核。20 世纪 80 年代的光学研究表明，大爆炸后数十亿年的类星体数量远远多于当今宇宙中的活动星系核。由于驱动遥远类星体活动的超大质量黑洞无法被摧毁，天文学家推测，许多附近的星系一定包含死类星体——燃料供应耗尽的黑洞。
这些休眠的超大质量黑洞确实已通过其引力影响被探测到。即使很少有物质旋入其中，恒星和气体仍继续围绕黑洞运行。事实上，银河系中心就存在一个几乎休眠的黑洞。这些结果共同促使科学家们提出了一个 сценарий：大多数超大质量黑洞形成于类星体时代，在剧烈的生长爆发中消耗了所有周围的物质，然后在燃料供应耗尽后从光学观测中消失。简而言之，像恒星形成一样，类星体活动在遥远的过去更加活跃，这是我们生活在一个相对沉闷的时代的第三个迹象。
然而，这个 сценарий 并不完整。通过结合 X 射线和可见光观测，天文学家现在正在重新审视关于绝大多数类星体早已消亡的结论。X 射线很重要，因为与可见光不同，X 射线可以穿过隐藏黑洞周围的气体和尘埃。但是 X 射线被地球大气层阻挡，因此研究人员必须依靠钱德拉和 XMM-牛顿 X 射线天文台等空间望远镜来探测黑洞活动。2000 年，由考伊、美国宇航局戈达德太空飞行中心的理查德·F·穆肖茨基 (Richard F. Mushotzky)、当时在亚利桑那州立大学的埃里克·A·理查兹 (Eric A. Richards) 和我组成的团队使用莫纳克亚山上的昴星团望远镜来识别钱德拉在巡天场中发现的 20 个 X 射线源的光学对应物。然后，我们使用 10 米凯克望远镜获取这些物体的光谱。
我们的结果非常出乎意料：钱德拉探测到的许多活动超大质量黑洞都位于相对较近的、明亮的星系中。宇宙 X 射线背景建模者预测了大量被遮蔽的超大质量黑洞的存在，但他们没想到它们会如此近在眼前！此外，这些星系中许多星系的光谱绝对没有显示出黑洞活动的迹象；如果没有 X 射线观测，天文学家永远无法发现潜伏在它们核心中的超大质量黑洞。
这项研究表明，并非所有超大质量黑洞都形成于类星体时代。这些强大的物体显然是从最早的时候一直组装到现在的。然而，仍在活动的超大质量黑洞并没有表现出与遥远类星体相同的行为模式。类星体是贪婪的消费者，以惊人的速度贪婪地吞噬着周围的物质。相比之下，钱德拉探测到的附近的大多数光源都是更温和的食客，因此辐射强度较低。科学家们尚未确定造成这种巨大行为差异的机制。一种可能性是，当今的黑洞消耗的气体较少。附近的星系比遥远的古代星系经历的碰撞更少，而这种碰撞可能会将物质驱动到星系中心的超大质量黑洞中。
钱德拉还有另一个秘密要揭示：尽管温和的 X 射线源远不如类星体明亮——产生的辐射量仅为其较老对应物辐射量的 1%——但当我们将近期所有温和光源产生的光加起来时，我们发现其量约为早期类星体产生的量的十分之一。产生这种结果的唯一方法是，现在活跃的温和黑洞比过去活跃的类星体多得多。换句话说，宇宙的内容已经从少数明亮物体转变为大量较暗物体。即使超大质量黑洞现在的构建规模更小、成本更低，但它们的综合效应仍然很强大。
恒星形成星系也经历了宇宙规模缩减。尽管一些附近的星系在恒星形成习惯上与 SCUBA 图像中发现的极其明亮的尘埃遮蔽星系一样奢侈，但当今宇宙中超亮星系的密度比遥远宇宙中的密度低 400 多倍。然而，较小的星系再次承担了一些责任。由考伊、现在在加州理工学院斯皮策科学中心的吉莉安·威尔逊 (Gillian Wilson)、现在在哈佛-史密森天体物理学中心的道格·J·伯克 (Doug J. Burke) 和我组成的团队通过研究使用各种滤镜生成的高质量图像并执行完整的光谱后续观测，改进了对宇宙光度密度的估计。我们发现，光学和紫外光的光度密度并没有随着宇宙时间发生太大变化。尽管在宇宙后半段的生命周期中，由于巨大的尘埃星系不再爆发恒星，整体恒星形成率有所下降，但小型、附近的恒星形成星系的数量非常多，以至于光学和紫外光的光度密度下降得相当缓慢。这一结果为我们提供了对宇宙持续健康的更为乐观的展望。
中年活力
新兴的持续活力图景与宇宙学理论非常吻合。新的计算机模拟表明，从少数大型而强大的星系主导的宇宙到充满许多较小而温顺的星系的宇宙的转变，可能是宇宙膨胀的直接结果。随着宇宙的膨胀，星系变得更加分离，合并变得更加罕见。此外，随着星系周围的气体变得更加稀薄，它变得更容易加热。由于热气比冷气更具能量，因此它不容易像星系的势阱那样引力坍缩。哈佛-史密森天体物理学中心的法布里齐奥·尼卡斯特罗 (Fabrizio Nicastro) 及其同事最近通过其对来自遥远类星体和活动星系核的紫外线和 X 射线的吸收，探测到温暖的星系际雾。这种温暖的雾气在各个方向上环绕着我们的星系，并且是星系本星群的一部分，其中包括银河系、仙女座星系和 30 个较小的星系。最有可能的是，这种气体物质是从星系形成过程中遗留下来的，但太热而无法进一步进行星系形成。
小星系可能位于较冷的环境中，因为它们可能没有像大星系那样通过超新星爆发和类星体能量将其周围的气体区域加热到相同的程度。此外，小星系可能消耗了较少的周围物质，从而使它们能够将其更温和的生活方式延续到今天。相比之下，更大、更浪费的星系已经耗尽了它们的资源，并且不再能够从其环境中收集更多资源。正在进行的对附近小星系的气体性质的观测研究可能会揭示它们如何与其环境相互作用，从而为理解星系演化提供关键。
但是，拼图的关键部分仍然未解决：宇宙早期历史上是如何形成怪物类星体的？斯隆数字巡天是一项主要的 астрономический 项目，旨在绘制整个天空的四分之一并测量到一百多万个遥远物体的距离，它发现了在宇宙只有现在年龄的十六分之一时就存在的类星体，大约是大爆炸后 8 亿年。2003 年，当时在国家射电天文台的法比安·瓦尔特 (Fabian Walter) 及其合作者探测到其中一个类星体发射中存在一氧化碳；由于碳和氧只能通过恒星中的热核反应产生，因此这一发现表明，在宇宙的最初几亿年中发生了大量的恒星形成。来自威尔金森微波各向异性探测器（一种研究宇宙背景辐射的卫星）的最新结果也表明，恒星形成始于大爆炸后仅 4 亿年。
此外，计算机模拟表明，第一批恒星很可能比太阳质量大数百倍。这样的恒星会燃烧得非常明亮，以至于它们会在短短的几千万年内耗尽燃料；然后最重的恒星会坍缩成黑洞，这可能形成了驱动第一批类星体的超大质量黑洞的种子。进一步研究伽马射线暴可能会加强对类星体早期出现的这种解释，伽马射线暴被认为是由于非常大的质量恒星坍缩成黑洞而产生的。由于伽马射线暴是自大爆炸以来宇宙中最强大的爆炸，天文学家可以在非常远的距离探测到它们。2004 年 11 月，美国宇航局发射了雨燕伽马射线暴任务，这是一颗耗资 2.5 亿美元的卫星，配备了三台望远镜，旨在观察伽马射线、X 射线、紫外线和可见光波长中的爆炸及其余辉。自发射以来的两年中，雨燕号已识别出许多伽马射线暴。其中最令人兴奋的是 2005 年 9 月发现的一次爆炸，该爆炸发生在距离大爆炸仅 9 亿年之后。希望这仅仅是许多此类探测中的第一个，这些探测甚至延伸到更远的距离，从而为科学家们更好地理解坍缩的恒星是如何开始早期宇宙中超大质量黑洞的生长的提供帮助。
在漫画书中，超人使用他的 X 射线透视能力穿墙而过。天文学家现在已经通过钱德拉和 XMM-牛顿天文台获得了类似的能力，并且正在充分利用它来深入窥探宇宙中尘埃笼罩的区域。正在揭示的是从强大到温顺的戏剧性转变。过去宇宙中巨大的恒星形成星系和贪婪的黑洞现在正走向衰亡。在数十亿年后，今天活跃的较小星系将消耗掉大部分燃料，宇宙辐射的总输出将急剧下降。即使我们自己的银河系有一天也会面临同样的命运。随着宇宙规模缩减的继续，矮星系——每个星系仅包含数百万颗恒星，但却是宇宙中最普遍的星系类型——将成为恒星形成的主要热点。然而，不可避免的是，宇宙将变暗，其唯一的内容将是其辉煌过去的星系化石。老星系永远不会消亡，它们只是逐渐消失。
作者
艾米·J·巴杰 (AMY J. BARGER) 通过观察宇宙中最古老的一些物体来研究宇宙的演化。她是威斯康星大学麦迪逊分校的天文学副教授，并在夏威夷大学马诺阿分校担任附属研究生院教员。巴杰于 1997 年在剑桥大学获得天文学博士学位，然后在夏威夷大学天文研究所从事博士后研究。作为一名观测宇宙学家，她使用钱德拉 X 射线天文台、哈勃太空望远镜以及亚利桑那州基特峰和夏威夷莫纳克亚山上的望远镜探索了高红移宇宙。