宇宙中的星系有多少

□ 國家天文臺 李 然

宇宙中的星系有多少

□ 國家天文臺 李 然

哈勃極深場圖像。這張照片是哈勃空間望遠鏡對11平方角分的天空進行持續曝光后呈現出的結果。這個面積只有月球視覺面積的大約百分之一左右，卻布滿了人類能夠看到的距離我們最遠處的星系。天文學家長期借助這塊天區里的星系來研究宇宙在不同時期的演化。圖片來源:NASA,ESA

哈勃極深場（Hubble Ultra-deep Field）的圖像大概是人類有史以來獲得的最激動人心的照片之一。哈勃空間望遠鏡用400個軌道周期的時間，對一塊看上去空無一物的天空持續曝光一百萬秒，成千上萬的星系于是浮現出來，猶如璀璨的寶石。這張照片僅僅拍攝了11平方角分的天空。這個面積只有月球視覺面積的大約百分之一左右，卻布滿了人類能夠看到的距離我們最遠處的星系。天文學家長期借助這塊天區里的星系來研究宇宙在不同時期的演化。但最近，諾丁漢大學（Nottingham）克里斯托弗·孔塞利切（Christopher Conselice）等人發表在電子預印本(astroph：1607.03909v2 )上的一篇論文顯示，科學家可能還遠遠沒觀測到這塊天區里的所有星系。

讀者可能聽說過宇宙視界的概念，這是人類能夠觀測到的宇宙最大的尺度。視界的存在是由于光速——宇宙中傳遞信息最快的媒介——是有限的。視界的大小反映了宇宙誕生之后光線所能傳播的最大尺度。根據今天測量的宇宙模型參數，宇宙的年齡是有限的，大約是137億年。換句話說，望遠鏡接收到的光，最早來自于137億年前。如果有一束光在137億年間完全不受阻擋，沿著空間中的“直線”傳播，今天來到我們面前，它就攜帶著我們所能得到的最遠的信息。如果考慮到發出光線的地方因為宇宙的膨脹在急速地遠離觀測者，那這個地方的實際距離要比光速乘以宇宙年齡大得多。宇宙學家計算，理論上我們能夠接收到的最遠的光發出的地方今天已經離我們470億光年遠了。也就是說，可觀測宇宙的極限，也就是宇宙今天的視界是470億光年。光速有限的一個直接推論是當我們看向遠處的宇宙，我們同時也看向過去。當我們看到一個星系在距離銀河系數萬光年以外，我們看到的實際上是它數萬年以前的樣子。

哈勃極深場中距離我們最遠的星系大約距離我們300億光年，我們看到是它們在宇宙誕生之后6.5億年時的樣子。這時宇宙還處于少年期，物質更加密集，星系也更加年輕。星系演化學家的任務就是去了解這些早期的星系是如何通過合并，吸積等過程，成長為今天宇宙中的樣子。哈勃極深場圖像只是研究宇宙星系演化的數據中的一部分。自從1970年以來，已經相繼有CfA紅移巡天（CfA Redshift Survey），2微米全天巡視（2MASS），2度視場紅移巡天（2dF Survey），斯隆數字化巡天（SDSS），加拿大-法國-夏威夷望遠鏡巡天（CFHT），暗能量巡天（DES，The Dark Energy Survey）等不同的星系普查計劃提供給研究者大量的星系樣本。每一個不同的巡天抵達的深度都不一樣，其中分別包含了不同宇宙時間的星系。這些大面積巡天的星系樣本遠遠不如哈勃極深場看得深入，但它們能提供更大天區的數據，幫助研究者了解相對鄰近的宇宙。

諾丁漢大學的研究者們發現，雖然過去的研究者認真地分析了星系在不同宇宙時間數目的演化，但沒有人真正把所有的星系加起來，看看一共有多少。于是這些研究者做了一件很簡單的事情，他們從不同的觀測中抽取了星系的光度函數（也就是星系在不同光度處的數密度）。每一個不同的觀測反映了宇宙中某一個深度處的星系數目。從這些數據中，諾丁漢大學的研究者可以擬合一個星系數密度的公式，這個公式里包含了星系數目隨宇宙時間的演化，和不同亮度星系的數目。利用這樣的公式，研究者就可以預計宇宙中所有大于某一個質量的星系有多少。

研究者們發現，如果考慮質量大于一百萬太陽質量的星系，那么星系的數目實際上是越早越高的（已經去除了宇宙空間膨脹帶來的效應）。這是因為宇宙早期雖然沒有很亮的星系，但是卻有更多比較小的星系。這些小星系在隨后的宇宙演化中會相互合并，所以總的來看今天宇宙里星系的總數是比不上宇宙早期的。研究者們還可以用這個公式來計算哈勃極深場圖像里所有質量大于一百萬太陽質量的星系數目。計算出來的星系數密度是每平方角秒3個左右，而哈勃極深場看到的星系數密度只有每平方角秒0.4個。如果考慮到每個星系的平均直徑是0.3個角秒，那么我們向任何一個方向看去，都會有百分之八十的可能性看到一個星系，夜空并不像我們直觀感受的那樣空虛。

奧伯斯認為夜空不應該是黑暗的。因為如果宇宙足夠廣大，那么向任何一個方向看去，都應該看到數目巨大的發光天體。如果宇宙是無限的，那么這些天體的光的總和應該可以完全把夜空照亮。但實際上卻并非如此，這便是著名的奧伯斯佯謬。

為什么會有這樣的差異？作者們并不認為這是宇宙學理論出了問題，更大的可能性是這些沒有看到的星系太過暗淡，即使哈勃極深場也無法讓它們全部顯現。這對未來的巡天設計有重大的意義——要想全部看到這些星系，望遠鏡需要比現在靈敏100倍。

理論預言的星系數密度還可以幫助我們更好地理解奧伯斯佯謬。奧伯斯認為宇宙夜空是黑暗的是一件非常難以理解的事情，因為如果宇宙足夠廣大，那么向任何一個方向看去，都應該看到數目巨大的發光天體。如果宇宙是無限的，那么這些天體的光的總和應該可以完全把夜空照亮。解決奧伯斯佯謬的關鍵在于理解宇宙年齡的有限，這意味著在地球上的觀測者最遠能夠收到的光線被宇宙的視界限制，因此即使將所有觀測者可以觀測到的天體光線合計也是一個有限的數值。諾丁漢大學的學者們的研究給了我們一個直觀地理解奧伯斯佯謬的方案，按照他們的計算，即使將宇宙中所有可觀測的星系加起來，我們在任何一個方向看到的星系數平均密度只有3個每平方角秒。而這些星系大多數都太暗了，遠遠無法照亮我們的夜空。

（責任編輯 馮翀）