美麗的星系一直讓天文學(xué)家和大眾著迷不已，星系有許多不同的外貌，有些雜亂無章，有些又看來有著井井有條的結(jié)構(gòu)。這些有結(jié)構(gòu)的星系究竟是如何形成，又是何時開始形成的呢？近期天文學(xué)家們利用最新型的天文望遠(yuǎn)鏡，對這些星系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)它們在宇宙歷史中出現(xiàn)的時間，遠(yuǎn)比之前所認(rèn)為的要早，這是怎麼回事呢？本期專欄就跟大家分享一下。

橢圓星系（Elliptical Galaxy）是一種看來沒有什麼結(jié)構(gòu)的星系：許多的星體聚在一起形成一個橢圓的形狀，當(dāng)中的星體相對不規(guī)律地移動。而我們腦海中常有的星系影像（包括我們居住在其中的銀河系）則屬於螺旋星系（Spiral Galaxy）：星體聚在中央的一個平面上，像一個圓盤一般繞著中央旋轉(zhuǎn)。在這樣的「圓盤」上，星體更會組織成螺旋，甚至棒狀的結(jié)構(gòu)和圖案。根據(jù)現(xiàn)有科學(xué)家的理論，各種星系的面貌與它們的演化歷史有關(guān)。

一般來說，星系源於一堆混亂的氣體、星星，或類星體（Quasar）。在宇宙開始後的數(shù)十億年的歷史中，星系中存在較多的氣體，當(dāng)中的活動亦比較混亂，因此容易形成新的星體。自此以後，宇宙慢慢「歸於沉寂」；到了近一百億年，不少星系演化出高度組織的外貌，擁有螺旋、棒狀的結(jié)構(gòu)。

大約一個世紀(jì)前，著名天文學(xué)家哈勃就發(fā)布了他觀察到的星系。一個世紀(jì)後的今天，運(yùn)用最新型的占士·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope，JWST），我們能看到更加清晰的星系面貌。例如，在2024年，JWST觀察到在宇宙歷史三十億年的時期中，螺旋星系比以前哈勃望遠(yuǎn)鏡量度到的更多。有螺旋構(gòu)造的星系可能早在宇宙歷史十億年時期就已出現(xiàn)。

宇宙早期出現(xiàn)「怪獸星系」

近日，更有天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)在宇宙歷史二十六億年的時期存在棒旋結(jié)構(gòu)的星系，這種結(jié)構(gòu)需要更多的時間去演化，其質(zhì)量是銀河系10倍以上，且恒星形成速率是銀河系的約300倍，但其體積卻比銀河系更為緊湊，發(fā)表期刊的學(xué)者稱其為「怪獸星系」。這樣的結(jié)構(gòu)怎麼會在宇宙早期出現(xiàn)？這個問題目前還難以利用我們現(xiàn)在的理論去解答。

不過，值得一提的是，這一發(fā)現(xiàn)聯(lián)合了兩個天文儀器的觀測結(jié)果。隨著宇宙的膨脹，星系的可見光會被拉長成紅外光，JWST對紅外線十分敏感，正好適合用來量度來自宇宙早期星系的星光。另一個運(yùn)用到的就是阿塔卡馬大型毫米波/次毫米波陣列（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，ALMA）。

ALMA位於南美洲智利北部，是一組六十六個共同觀察的無線電望遠(yuǎn)鏡，能夠測量到遙遠(yuǎn)、遠(yuǎn)古星系中氣體的移動。這令天文學(xué)家可以觀察出星系中氣體的移動如何受棒狀結(jié)構(gòu)的影響，因此可以比較肯定地確認(rèn)，棒狀的結(jié)構(gòu)真的存在於星系之中。

一直以來，天文學(xué)家們依靠周邊星系研究棒狀結(jié)構(gòu)的演化，現(xiàn)今理論認(rèn)為星系早期充滿氣體的環(huán)境不利於棒狀結(jié)構(gòu)的形成。所以這次觀察宇宙早期就存在棒狀結(jié)構(gòu)的星系，直接挑戰(zhàn)了現(xiàn)有的理論，等待我們的進(jìn)一步探究。

小結(jié)

星系的形態(tài)演化既非完全隨機(jī)，也非單一線性順序，而是由初始條件、動力學(xué)過程及環(huán)境交互作用共同決定的多路徑演化。這次分享了近期發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)螺旋結(jié)構(gòu)以及棒狀結(jié)構(gòu)的星系出現(xiàn)的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)早於預(yù)期，與現(xiàn)有推論相違，期待科學(xué)家們繼續(xù)觀察，解明其背後的原因，讓我們對宇宙有更進(jìn)一步的認(rèn)知。

●杜子航 教育工作者

早年學(xué)習(xí)理工科目，一直致力推動科學(xué)教育與科普工作，近年開始關(guān)注電腦發(fā)展對社會的影響。