本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
大多数人认为天文学是研究庞大事物的科学——正如道格拉斯·亚当斯所说，“极其巨大，令人难以置信地巨大”。但从上周在华盛顿特区举行的美国天文学会会议来看，如今天文学中最有趣的事物是那些小（相对而言）的事物。行星猎人们已经积累了数百个木星大小的世界，现在正在寻找地球大小的行星。研究超大质量黑洞的天体物理学家们正在看到仅仅是质量巨大的黑洞的魅力。那些剖析星系历史的人认为，线索可能存在于星系矮星系中。
在会议上我最喜欢的演讲之一中，密歇根大学的玛尔塔·沃隆特里讨论了超大质量黑洞是如何形成的——这是每位天文学家十大待解之谜榜单上的一个谜题。质量为数十亿个太阳质量的黑洞在大约十亿年的宇宙年龄时就已存在，这速度快得令人费解。
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据推测，它们是在一个两阶段过程中形成的：一个种子黑洞核化，然后吸入物质。但是吸入过程是缓慢的，为了及时膨胀到观测到的大小，种子必须一开始就具有数百个太阳质量，至少。究竟是什么产生了这样一个庞然大物？足够大的恒星在死亡时会坍缩成黑洞，但恒星的质量本质上是有限的。它们来源的气体云倾向于分裂，导致多个中等大小的恒星，而不是一个单独的重量级恒星。在今天的宇宙中，您可能期望的最好情况是一颗恒星留下一个可能只有 10 个太阳质量的黑洞，这是一个可悲的不合格的种子。
但是远古宇宙有一个主要的优势：它缺乏重元素，因为恒星还没有机会合成它们。这些元素比氢或氦更有效地辐射热量，因此它们有助于气体云冷却和分裂。由于缺乏这些元素，远古时代的气体经历的分裂较少。从这个想法出发，沃隆特里规划了两种创造种子黑洞的通用策略。第一种策略是，种子是宇宙中形成的第一代恒星的尸体，它们是泰坦般的种族。在第二种方法中，数千个太阳质量或更多的气体云变得引力不稳定，并直接坍缩成黑洞。这两种过程都不再运作，因为宇宙中重元素已经变得过于丰富。
哪种过程解释了种子的形成？这很难说。无论种子是如何形成的，所有种子的质量最终都受到可用物质的限制——就像孩子们有早或晚的生长突增，但最终身高一样高。它们的起源湮没在古代。或者它们没有湮没？沃隆特里指出，宇宙中包含相对较小的黑洞——显然几乎没有生长的种子。它们的性质应该仍然反映出它们是如何形成的。
十大待解之谜榜单上的另一个问题是星系是如何形成的。在一次广为报道的新闻发布会上，加州大学圣克鲁兹分校的加斯·伊林沃思展示了来自哈勃超深空场的图像，这是人类有史以来捕捉到的最灵敏的图像。他宣布了红移为 8.5 和 8.7 的星系，对应于大约仅仅 6 亿年的宇宙年龄。这些星系是侏儒，大小仅为银河系的 5%，质量仅为银河系的 1%。考虑到红移，它们异常地偏蓝，这意味着缺乏尘埃，因此也缺乏重元素。
这些星系内的恒星似乎有 3 亿年的历史，这意味着这些星系形成于 3 亿年的宇宙年龄，使它们成为宇宙中最早的星系之一。伊林沃思的团队推断，那时的恒星形成率是目前恒星形成率的十分之一。因此，这是天文学家首次观察到恒星形成率低于今天的时代。恒星形成率迅速上升，在红移约为 3 时达到顶峰，此后一直处于下降趋势。
一个需要注意的地方：这些星系太暗，无法测量它们的真实光谱，因此该团队使用了不太精确的替代品：几个不同波段的光的相对量。这些星系在可见光中是不可见的，但在波长大于 1 微米时会显示出来；由此，研究人员推断出它们的红移。考虑到这种程序的不确定性，8.7 这个值所暗示的精度在我看来是值得怀疑的。最好说“大约 8”。至于恒星年龄，研究人员通过混合和匹配恒星类型来尝试重现观测到的星系颜色，从而推断出恒星年龄。星系在 3 微米处比在 1 微米处明显更亮，这表明它们包含相对较红（因此寿命更长）的恒星。然而，同样，3 亿年的数字可能夸大了这种估计的精度。
今天的宇宙包含类似的侏儒星系，它们在大小和重元素贫乏方面都与古代矮星系相匹配。会议上的几位研究人员谈到了关于这些小家伙的一个奇怪的事实：在它们内部发生的超新星爆发非常怪异。
加州理工学院的安德鲁·德雷克描述了卡塔利娜瞬变巡天的结果，该巡天的主要任务是扫描威胁地球的小行星，但也顺便捕捉到天空中各种闪烁和闪光，包括超新星爆发。其发现之一是SN 2008fz，这是有史以来观测到的能量最高的超新星，比通常的超新星亮 10 倍。它在一个小型星系中爆发，该星系的大小与银河系的卫星星系之一大麦哲伦星云相当。另一个是SN 2008iy，它花了 400 天才达到峰值亮度，比通常的超新星长 20 倍。它发生在一个更小的星系中。
圣母大学的彼得·加纳维奇宣布了另一项超新星巡天ESSENCE的结果，其中包括另一个奇怪的超新星 Y-155。它不仅比通常的超新星亮 10 倍，而且随着时间的推移变得更热而不是更冷。加纳维奇认为它是所谓的对不稳定性超新星，当辐射强度太高以至于产生新的物质粒子时就会发生这种情况。12 月，另一个团队得出结论，SN 2007bi，一颗明亮且缓慢达到峰值的超新星，也是一颗对不稳定性超新星。这两颗超新星都在低质量星系中爆发。
同样，原因可能是重元素的缺乏。对不稳定性爆发需要质量巨大的恒星，即太阳质量的 150 到 250 倍，只有在重元素丰度较低时才会出现这种情况。矮星系在漫长的岁月中经历的物质再加工较少，因此积累的这些元素也较少。
正如另外两项研究表明的那样，它们也倾向于失去它们拥有的任何物质。马里兰大学的斯泰西·麦高夫观察了不同大小的星系样本，并以两种方式估算了它们的质量：首先，他将所有恒星加起来；其次，他测量了这些恒星的速度，并推断出必须有多强的引力才能包含它们。这种分析以前已经做过，它表明星系的质量比它们的恒星数量所暗示的要大得多；差异由暗物质弥补。（麦高夫过去曾争论过，但在本次会议上没有强调的另一种选择是，这种差异表明物理定律的失效。）
麦高夫表明，星系越小，差异越大——表明暗物质的比例越大，或者更可能的是，普通物质的比例越小。由于它们的引力较弱，矮星系不太能够容纳超新星爆发的碎片，因此它们将其损失到星系际空间。
马克斯·普朗克地外物理研究所的尼夫·德罗里通过非常不同的方法得出了类似的结论。他的团队的COSMOS 巡天检查了相对附近（因此是最近的）宇宙中的 300,000 个星系，并将不同质量的星系数量与如果星系完全由暗物质组成，应该有多少星系的模拟结果进行了比较。他们发现星系数量少于模拟预测的数量，并且随着尺寸的减小，差异再次恶化——这表明普通物质更容易从小星系中喷射出来。
天文学家可能需要很长时间才能完全掌握黑洞和星系是如何形成的，但这似乎并不让他们担忧。天文学一个引人注目的特点是，它自觉地是一项跨世代的努力。许多主题演讲者表示，他们一生都找不到重大问题的答案，但年轻的听众会找到答案。
图片：哈勃太空望远镜去年 8 月拍摄的近红外光中最深远的图像。图片来源：NASA、ESA、G. Illingworth 和 R. Bouwens（加州大学圣克鲁兹分校）以及 HUDF09 团队