28.1: 遥远星系观测
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学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 解释一下很久以前天文学家是如何利用光来了解遥远星系的
- 讨论表明第一批恒星是在宇宙还不到其当前年龄的 10% 时形成的证据
- 描述在遥远的早期宇宙中观察到的星系与当今在附近宇宙中看到的星系之间观察到的主要差异
首先，让我们探索一些天文学家用来研究星系如何诞生和随宇宙时间变化的技术。 假设你想了解成年人是如何变成现在的样子。 如果你非常敬业和耐心，你实际上可以观察婴儿从出生起的样本，跟踪他们度过童年、青春期和成年，然后进行基本测量，例如他们的身高、体重和身体不同部位的比例大小，以了解他们是如何进行的随着时间的推移而变化。
不幸的是，我们无法理解星系是如何随着时间的推移而生长和变化的：在人类的一生中，甚至在人类文明的整个历史中，单个星系几乎没有变化。 为了研究和理解这些漫长而缓慢的变化，我们需要其他工具，而不仅仅是耐心地观察单个星系。
但是，我们在研究银河演化方面确实有一笔非凡的资产。 正如我们所看到的，宇宙本身就是一种时间机器，它使我们能够像很久以前一样观测远程星系。 对于最近的星系，比如仙女座星系，光到达我们所需的时间大约为几十万到几百万年。 通常在这么短的时间内变化不大 —— 银河系中的单个恒星可能会出生或死亡，但银河系的整体结构和外观将保持不变。 但是我们在很远的地方观测到了星系，以至于我们看到的就像100多亿年前光线离开它们时的样子。
通过观测更远的物体，我们可以进一步回顾星系和宇宙都很年轻的时代（图\(\PageIndex{1}\)）。 这有点像在邮件中收到几个远方朋友的来信：朋友把信寄给你时距离越远，信件在运输途中的时间就越长，所以消息到达你的邮箱时越老；你正在更早地了解她的生活比你读那封信的时候还要多
如果因为单个星系发生得太慢而无法直接检测到随着时间的推移而发生的变化，那么我们怎么能理解这些变化和星系的起源呢？ 解决方案是在许多不同的宇宙距离上观测许多星系，从而观察回顾时间（我们看到星系的时间可以追溯多远）。 如果我们能在宇宙有10亿年历史时研究一千个非常遥远的 “婴儿” 星系，在宇宙有20亿年历史时再研究一千个稍近的 “幼儿” 星系，依此类推，直到今天我们附近有138亿年历史的成熟 “成熟” 星系宇宙，那么也许我们可以分辨出来共同描绘了整个星系群如何随着时间的推移而演变的连贯画面。 这使我们能够重建自宇宙诞生以来星系的 “生活故事”，尽管我们无法跟踪从婴儿期到晚年的单一星系。
幸运的是，不乏可供研究的星系。 与你的小指保持一定距离：被指甲挡住的天空部分包含大约一百万个星系，在时空中层次越来越远。 实际上，天空中到处都是星系，除了仙女座和麦哲伦云之外，它们都太微弱了，无法用肉眼看见 —— 在可观测的宇宙中有超过 1000 亿个星系，每个星系都有大约 1000 亿颗恒星。
因此，这台宇宙时光机器让我们回顾过去，回答关于星系来自何处以及它们如何成为今天的样子的基本问题。 天文学家称这些银河系随宇宙时间演变而发生的变化，这个词让人想起达尔文和其他人在地球生命发展方面的工作。 但是请注意，星系演化是指单个星系随着时间的推移而发生的变化，而生物学家研究的那种进化是连续几代活生物体随着时间的推移而发生的变化。
光谱、颜色和形状
天文学是为数不多的必须远距离进行所有测量的科学之一。 地质学家可以采集他们正在研究的物体的样本；化学家可以在实验室中进行实验以确定物质是由什么构成的；考古学家可以使用碳定年法来确定某物的年龄。 但是天文学家无法捡起恒星或星系玩耍。 正如我们在整本书中所看到的那样，如果他们想知道星系是由什么组成的，以及它们在宇宙的生命周期中发生了怎样的变化，他们必须解码到达地球的少量光子所传递的信息。
幸运的是（如你所知）电磁辐射是一种丰富的信息来源。 与星系的距离来自其红移（由于宇宙的扩张，其光谱中的线向红移的程度）。 红移到距离的转换取决于宇宙的某些属性，包括哈勃常数的值及其包含的质量。 我们将在《宇宙大爆炸》中描述目前公认的宇宙模型。 就本章而言，只要知道目前对宇宙年龄的最佳估计为138亿年就足够了。 在这种情况下，如果我们看到一个在60亿光年前发射光的物体，我们看到的就是宇宙将近80亿年前的样子。 如果我们看到在130亿年前发射光的东西，我们看到的就是宇宙还不到十亿年时的样子。 因此，天文学家从其光谱测量星系的红移，使用哈勃常数加上宇宙模型将红移转换为距离，然后使用距离和恒定光速来推断他们看到星系的时间有多远——回头时间。
除了距离和回顾时间外，对星系光谱线的多普勒偏移的研究可以告诉我们星系旋转的速度有多快，因此它有多大（如星系中所解释的那样）。 对这些线条的详细分析还可以表明居住在星系中的恒星的类型以及星系中是否含有大量的星际物质。
不幸的是，许多星系非常微弱，以至于目前不可能收集足够的光来产生详细的光谱。 因此，天文学家必须使用更粗略的指南来估计哪种恒星居住在最微弱的星系中——它们的整体颜色。 再看一遍 Figur\(\PageIndex{1}\) e，注意到有些星系非常蓝色，而另一些星系呈红橙色。 现在请记住，炎热、发光的蓝星非常大，寿命只有几百万年。 如果我们看到一个以蓝色为主的星系，我们就知道它肯定有许多炙手可热、发光的蓝星，而且恒星的形成肯定是在光线离开银河系之前的几百万年内形成的。 另一方面，在黄色或红色星系中，肯定是在银河系早期恒星形成过程中产生的、年轻、发光的蓝星一定已经死亡；它必须主要包含在主序列阶段持续很长时间、因此通常形成数十亿年的旧黄星和红色恒星在我们现在看到的光发射之前。
星系本质的另一个重要线索是它的形状。 螺旋星系可以通过形状与椭圆星系区分开来。 观察表明，螺旋星系包含年轻的恒星和大量的星际物质，而椭圆星系主要是旧恒星，很少或根本没有恒星形成。 几十亿年前，椭圆星系将其大部分星际物质变成了恒星，而螺旋星系中的恒星形成一直持续到今天。
如果我们能够计算宇宙每个时代每种星系的数量，这将有助于我们了解恒星的形成速度如何随着时间的推移而变化。 正如我们将在本章后面看到的那样，遥远宇宙（即年轻星系）中的星系看起来与我们在当今宇宙中附近看到的较旧星系截然不同。
第一代星星
除了观察我们能找到的最遥远的星系外，天文学家还观察我们自己银河系中最古老的恒星（我们可以称之为化石记录），以探测早期宇宙中发生的事情。 由于恒星是星系发出的几乎所有光的来源，因此我们可以通过研究星系中的恒星来学到很多关于星系演变的知识。 我们发现，几乎所有星系都包含至少一些非常古老的恒星。 例如，我们自己的银河系包含球状星团，其恒星至少有130亿年的历史，有些甚至可能比这更古老。 因此，如果我们将银河系的年龄算作其最古老成分的年龄，那么银河系肯定是在至少130亿年前诞生的。
正如我们将在《宇宙大爆炸》中讨论的那样，天文学家已经发现宇宙正在膨胀，并追溯了宇宙的扩张。 通过这种方式，他们发现宇宙本身只有大约138亿年的历史。 因此，看来银河系中至少有一些球状星团恒星肯定是在扩张开始不到十亿年后形成的。
其他几项观测结果也证实，宇宙中恒星的形成很早就开始了。 天文学家使用光谱来确定一些椭圆星系的构成，这些星系距离太远，以至于我们看到的光在宇宙只有现在的一半时就离开了它们。 然而，这些椭圆机含有古老的红星，它们肯定是在数十亿年前形成的。
当我们对这些星系如何随时间演变进行计算机模型时，它们告诉我们，椭圆星系中的恒星形成是在宇宙开始扩张不到十亿年后开始的，而新的恒星持续形成了几十亿年。 但是后来恒星的形成显然停止了。 当我们将遥远的椭圆星系与附近的椭圆星系进行比较时，我们发现自从宇宙达到其当前年龄的一半以来，椭圆星系变化不大。 我们将在本章后面重新讨论这个想法。
对最明亮的星系的观测使我们回到了更远的时光。 最近，正如我们已经指出的那样，天文学家发现了一些距离太远的星系，以至于我们现在看到的光在开始不到十亿年后就离开了它们（图\(\PageIndex{2}\)）。 然而，其中一些星系的光谱已经包含重元素线，包括碳、硅、铝和硫。 这些元素在宇宙开始时并不存在，而是在恒星内部制造的。 这意味着，当来自这些星系的光发射出来时，整整一代恒星已经诞生，活出了生命，死亡，甚至在宇宙有十亿年历史之前，就喷出了通过超新星爆炸在其内部产生的新元素。 而且，以这种方式开始的不仅仅是每个星系中的几颗恒星。 为了影响银河系的整体构成，我们仍然可以在很远的光谱中进行测量，这足以影响银河系的整体构成。
对类星体（其中心包含超大质量黑洞的星系）的观测支持了这一结论。 我们可以测量类星体黑洞附近气体中重元素的丰度（在 Active Galaxies、Quasars 和 Supermassive Black Holes 中有解释）。 125亿光年前发射光的类星体中这种气体的成分与太阳的组成非常相似。 这意味着，在宇宙开始扩张后的头13亿年中，黑洞周围的很大一部分气体肯定已经在恒星中循环了。 如果我们为这种循环留出时间，那么它们的第一颗恒星一定是在宇宙只有几亿年的时候形成的。
不断变化的星系宇宙
早在二十世纪中叶，观察到所有星系都包含一些古老的恒星，这使天文学家得出这样的假设：星系是在宇宙开始扩张时诞生的。 这个假设类似于暗示人类是成年后出生的，不必经历从婴儿期到青少年的各个发育阶段。 如果这个假设是正确的，那么最遥远的星系的形状和大小应该与我们在附近看到的星系非常相似。 根据这种旧观点，星系在形成之后，只能缓慢变化，因为星系中连续几代恒星的形成、演变和死亡。 随着星际物质的逐渐用完，形成的新恒星越来越少，星系将逐渐由更微弱、更老的恒星主导，看起来更暗更暗更暗。
得益于新一代的大型地面和天基望远镜，我们现在知道这幅星系和平而彼此隔离演变的画面是完全错误的。 正如我们将在本章后面看到的那样，遥远宇宙中的星系看起来不像银河系和附近的星系，例如仙女座，它们的发展故事更为复杂，涉及与邻居的互动要多得多。
为什么天文学家错了？ 直到20世纪90年代初，观测到的最遥远的普通星系在80亿年前发射了光。 从那时起，许多星系，尤其是巨型椭圆星体，它们发光度最高，因此最容易在远距离看见，确实平静而缓慢地演变。 但是，自20世纪90年代以来投入使用的哈勃、斯皮策、赫歇尔、凯克和其他强大的新望远镜使突破80亿光年的屏障成为可能。 现在，我们可以详细了解成千上万个更早发射光的星系（大约 130 亿年前，见图\(\PageIndex{2}\)）。
最近关于星系演变的大部分工作都是通过研究哈勃望远镜、斯皮策望远镜和地面望远镜拍摄超长曝光图像的天空中几个特定的小区域而取得的。 这使天文学家能够探测到非常微弱、非常遥远、因此也非常年轻的星系（图\(\PageIndex{3}\)）。 我们的深空望远镜图像显示，一些星系比当今巨型地面望远镜可以通过光谱学观测到的最微弱的物体微弱100倍。 事实证明，这意味着我们只能获得确定这些图像中最亮的百分之五星系的红移所需的光谱。
尽管我们没有大多数微弱星系的光谱，但哈勃太空望远镜特别适合研究它们的形状，因为在太空中拍摄的图像不会被地球大气层模糊。 令天文学家惊讶的是，遥远的星系根本不符合哈勃的分类方案。 请记住，哈勃发现几乎所有附近的星系都可以分为几类，具体取决于它们是椭圆星系还是螺旋星系。 哈勃太空望远镜观测到的遥远星系看起来与当今星系截然不同，没有可识别的螺旋臂、圆盘和凸起（图\(\PageIndex{4}\)）。 它们也往往比当今大多数星系笨拙得多。 换句话说，很明显，随着时间的推移，星系的形状已经发生了重大变化。 实际上，我们现在知道哈勃计划仅在宇宙时代的后半段行之有效。 在那之前，星系要混乱得多。
不只是形状不同。 几乎所有距离超过110亿光年的星系（即我们在不到30亿年时看到的星系）都是非常蓝色的，这表明它们包含许多年轻的恒星，而且其中的恒星形成速度比附近的星系更快。 观测结果还表明，平均而言，非常遥远的星系比附近的星系小。 在宇宙存在大约80亿年之前存在的星系的质量大于的相对较少\(10^11\)\(M_{\text{Sun}}\)。 如果我们包括银河系的暗物质光环，那就是银河系质量的1/20。 110亿年前，只有少数星系的质量大于\(10^{10}\)\(M_{\text{Sun}}\)。 相反，我们看到的似乎是银河物质的小碎片或碎片（图\(\PageIndex{5}\)）。 当我们观察110亿到120亿年前发射光的星系时，我们现在相信我们看到的是椭圆星系和螺旋中心凸起的种子。 随着时间的推移，这些较小的星系相互碰撞和合并，形成了当今的大型星系。
请记住，超过110亿年前形成的恒星今天将成为非常古老的恒星。 实际上，当我们向附近看（观察离时代更近的星系）时，我们在附近螺旋的核凸起和椭圆星系中发现的大多数是旧恒星。
这些观测向我们展示的是，随着宇宙的老化，星系的大小也在扩大。 不仅星系在几十亿年前变小，而且数量更多；富含气体的星系，尤其是发光度较低的星系，当时的数量比今天多得多。
这些是我们可以对宇宙时代的单个星系（及其演变）进行的一些基本观测。 现在我们要转向更大的背景。 如果恒星被分成星系，星系是否也以某种方式分组？ 在本章的第三部分中，我们将探索宇宙中已知的最大结构。
摘要
当我们观察遥远的星系时，我们是在时光倒流。 我们现在看到的星系与宇宙大约有5亿年历史时的样子一样，只有现在的5％左右。 现在的宇宙已经有138亿年的历史了。 星系的颜色表明了居住在星系中的恒星的年龄。 蓝色星系必须包含许多炙手可热、巨大、年轻的恒星。 仅包含旧恒星的星系往往呈淡黄红色。 第一代恒星是在宇宙只有几亿年的历史时形成的。 在宇宙只有几十亿年历史时观测到的星系往往比当今的星系小，形状更不规则，恒星的形成速度比我们在当今宇宙中附近看到的星系更快。 这表明较小的星系碎片汇聚成了我们今天看到的较大的星系。
词汇表
- （星系的）演化
- 通过观察许多不同星系在生命中不同时期的快照来推断出单个星系在宇宙时间内的变化