探索暗淡星系的隐藏世界

1969年一个冬夜，在亚利桑那州基特峰上的一座天文台里，迈克尔·迪士尼（Michael Disney）有了一个有趣的想法。当他凝视着一个巨大无比、光芒四射的星系时，他想：如果那里有一个外星天文学家正在回望呢？那个智慧的外星生物可能会在其望远镜的目镜前，同样凝视着迪士尼较小、较暗的家园星系——银河系。

接着，另一个念头打断了他的奇想。这位年轻的威尔士天文学家意识到，那个外星生物根本不可能看到银河系，更不用说宇宙中无数个更暗淡的星系了。被其所在星系中所有恒星的眩光所淹没，这个外星生物将不知不觉地被蒙蔽，看不到宇宙的大部分。

迪士尼想知道我们是否也同样被欺骗了，沉浸在我们自身环境中不可避免的光芒中。“我突然想到，那里可能存在一个由隐藏星系组成的完整宇宙，它们只是比我们从地球上探测到的星系稍暗一些，”威尔士卡迪夫大学的荣休教授迪士尼说。

自半个世纪前在沙漠中那次启示以来，现年80岁的迪士尼一直在寻找一个阴影般的星系领域。他的预感在20世纪80年代和90年代获得了动力，但到了世纪之交，线索中断了。沮丧和失败的迪士尼放弃了这项探索。

然而，最近，偶然的发现和新技术重新激发了隐藏宇宙的概念。“宇宙的大部分可能尚未被发现，”俄勒冈大学的天体物理学家格雷格·博瑟姆（Greg Bothun）说，他长期研究暗淡星系。新出现的暗淡星系群体可能数量更多，并且与我们所熟知和喜爱的典型明亮星系截然不同，这挑战了我们传统的星系形成和演化理论。暗淡星系也可能解决一个关于宇宙中“失踪物质”的古老谜团。

根据这些推论，隐藏的星系是宇宙的常态，而不是我们华丽的银河系及其同类。长期以来被忽视的暗淡星系领域可能终于得到了应有的关注。

光线致盲

我们的宇宙充满了发光的星系。我们用肉眼就能从地球上看到最近的几个由恒星、气体（主要是氢）和尘埃组成的巨大星系。望远镜观测表明，外面有多达2万亿个星系，尽管它们大多是小型、暗淡的“矮星系”。这些星系群通常以典型的形状和大小出现，例如像银河系这样的大型旋涡星系，甚至更大的橄榄球形椭圆星系，以及那些随处可见的矮星系。它们遵循典型的生命周期，在年轻时产生大量恒星，随着年龄增长而放慢速度。

尽管我们对星系和更广阔的宇宙了解了很多，但天文学家们一直在努力克服人类作为天体观测者的局限性。我们的仪器只能轻易地感知那些亮度与夜空辉光对比度足够大的物体。当然，夜晚看起来很暗——比白天暗约5000万倍——但这仍然只是相对而言的暗。“我们生活在离这颗血腥发光的恒星，太阳，非常近的地方，”迪士尼说。“这总是会让我们很难找到这个隐藏的宇宙。”

太阳的亮度以两种大致相等的方式影响天文观测。在夜间，我们的气氛中会弥漫着“气辉”，分子会辐射出白天吸收的热量。为了避免气辉，我们可以将仪器送入轨道，比如哈勃太空望远镜（迪士尼曾为其设计仪器）。但这些航天器仍然必须眯着眼睛穿过太阳的第二次影响，即它对周围冰冷和尘埃粒子的明亮照明，这被称为黄道光。再加上我们星系中所有其他恒星产生的丰富光线，你就会得到相当大的眩光。这种自然的“光污染”延伸到整个电磁光谱，超越了可见光。

“我们确实被囚禁在自己的光明牢房里，”迪士尼说。“这就像你晚上身处一个明亮的房间里，然后向窗外看。”你房间的光线会淹没任何不那么明亮的东西。1976年，在他亚利桑那州的经历七年后，迪士尼在《自然》杂志上的一篇论文中写道，我们的星系目录可能只是真实星系群中不具代表性的一部分。他提出，大量更暗淡且可能尺寸可观的星系可能正等待被发现。然而，由于缺乏支持数据，这一预言几乎没有引起关注。

十年后情况发生了变化，当时天文学家偶然发现了一个他们从未见过的星系。

一个巨大的星系幽灵

俄勒冈大学的博瑟姆和他的同事对室女座星系团（一个附近星系密集的区域）旧底片上微弱的模糊影像感到好奇，他们想知道这些幻影是否是“低表面亮度”的小型星系——天文学家们用来形容单位面积发光比典型星系少的术语。

1986年，博瑟姆及其同事使用波多黎各的阿雷西博射电望远镜探测星系氢气云，发现了一个距离十亿光年的巨大改变游戏规则的星系。它被命名为Malin 1，此后一直受到密切研究，它仍然是已知最大的螺旋星系，比银河系宽七倍，质量是银河系的50倍。然而，奇怪的是，由于其稀薄的旋臂，这个星系巨兽显得异常暗淡，其旋臂间距比传统螺旋星系远十倍。

“无法理解那个物体是如何存在的，”博瑟姆说。“我们所有的模型都无法产生接近马林1号的物体。”这个暗淡的巨型星系证明宇宙中可能存在比任何人想象的更多的星系。

发现与失落

受马林1号发现的鼓舞，天文学家们仔细审查了前几十年的照相底片，以寻找那些未被注意到的、低表面亮度的星系的线索。（事实上，他们现在仍在这样做——底片数量很多。）尽管不如马林1号宏大，但在20世纪90年代，数千个这样的星系相继被发现。

电荷耦合器件（CCD）在20世纪80年代兴起，如今在天文学中占据主导地位，它是一种灵敏度更高的成像技术，进一步助力了搜索。“发现低表面亮度星系是一件令人兴奋的事情，”当时是博瑟姆学生的凯伦·奥尼尔（Karen O'Neil）说，她现在是西弗吉尼亚州绿岸天文台的主任。“出去寻找未知总是很有趣的。”

尽管这些数百个暗淡星系很有趣，但与数十亿已知的发光星系相比，从宇宙学的角度来看，它们仍然微不足道。迄今为止，这个幽灵般的宇宙只是一个幽灵般的利基市场。

然而讽刺的是，正是迪士尼自己的工作最终堵死了这个领域。1997年，他帮助在澳大利亚帕克斯天文台的射电望远镜上安装了一个强大的接收器，希望能捕捉到许多类似Malin 1的星系，并最终揭示出暗淡的宇宙。在几年收集的数据中，发现了4000多个氢气团——它们是低表面亮度星系的有希望的候选者。

然而，到了2005年，对这些来源进行的光学望远镜后续观测表明，它们几乎都只是正常星系中的氢云。“没有一个看起来是隐藏的星系，”迪士尼说。这项发现令人沮丧，似乎无可辩驳地证明，Malin 1及其同类只是奇异的怪胎，并非更广阔的幽灵宇宙的一部分。

“那扼杀了这个课题，”迪士尼说。“连我都放弃了。”

......又被找回了？

但这个课题并没有放弃他，因为其他观星者认为迪士尼有所发现。

在2009年高加索地区的一次会议上，迪士尼遇到了乌克兰天文学家瓦伦蒂娜·卡拉琴采娃（Valentina Karachentseva），她提出帕克斯巡天调查中的数千个氢云中确实有一些是星系。在她的职业生涯中，卡拉琴采娃仅凭敏锐的视力，就在照相底片上识别出许多暗淡的星系。她告诉迪士尼，她曾在帕克斯巡天发现被认为是附近明亮星系延伸部分的氢气云的位置，发现了独立的类似星系的物体。

迪士尼大吃一惊，回到威尔士后尝试了新方法。他重新审视了证明宇宙星系有多么聚集的计算结果。它们本质上是群居生物，几乎是堆积在一起，在星系团之间留下巨大的荒芜空洞。他的未见星系是否可能隐藏在这些聚集的星系群中，它们各自的气体云被误认为是属于最近、光芒四射的星系邻居的呢？

迪士尼逐渐意识到，帕克斯观测的解析度不够，细节不够精细，无法分辨紧密聚集在发光星系中的暗淡星系。他试图说服研究同事和一本天文学期刊可能存在的错误，但没有人接受。“我有点像是在黑暗中哭泣的人，”迪士尼说，“字面意义上的。”

他最终找到了解决问题的方法。2015年初，迪士尼获得了使用新墨西哥州升级版、极其灵敏的卡尔·G·詹斯基甚大阵（VLA）射电望远镜的时间。他重新扫描了帕克斯巡天调查中4000个候选者中的19个氢云样本。结果发现，新数据中，有14个氢云没有可见的对应星系。

“Bingo，”迪士尼说。立刻就清楚了，那些氢云射电波源不应该与附近 optically bright 的星系混为一谈。他有所发现。

隐藏在众目睽睽之下

迪士尼不知道这些隐秘的物体会是什么样子，他立刻想要进行新的观测，这些观测目前正在进行中。2016年末，他使用加那利群岛的威廉·赫歇尔望远镜，发现了十几个新发现的、 unmistakable 的暗淡星系的线索。

这些物体似乎将会有越来越多的新伙伴。在2015年的一项研究中，耶鲁大学的彼得·范多库姆（Pieter van Dokkum）和同事宣布，他们在天文学中研究最深入的星系团之一——后发座星系团中，发现了47个前所未见的、大小与银河系相当但极其弥散（分布广泛，因此相对暗淡）的星系。“这完全是一个惊喜，”范多库姆说。

并非某种巨大的新望远镜发现了这些微弱的物体。天文学界通常渴望的越来越大的望远镜实际上并不擅长揭示低表面亮度的物体。这些望远镜通常使用反射镜，会捕获更多的随机、不需要的光线，从而掩盖任何微弱发光的物体。相反，范多库姆通过将八个400毫米的镜头组合成一个类似昆虫复眼的装置，发现了他的星系。事实上，这个项目名称“蜻蜓”（Dragonfly）来源于范多库姆拍摄昆虫的爱好。

蜻蜓望远镜的多个镜头相互检查杂散光，并且其内表面经过抗反射涂层处理。这些镜头连接到CCD，范多库姆说，CCD终于足够好，可以区分宇宙中大部分幽灵般的星系。“即使现在，”他说，“我们也只是触及了皮毛。”

传统的反射望远镜仍然可以提供帮助。受范多库姆发现的启发，石溪大学的晋科达（Jin Koda）和同事查阅了夏威夷8.2米斯巴鲁望远镜近期对后发座星系团的观测数据。研究人员发现了854个超扩散星系，其中300多个延伸至银河系大小。这批星系此前一直未被注意到，因为天文学家们以前认为后发座星系中发光的痕迹表明它们是微小、不重要的天体，而不是仅是其他非常暗淡天体最可见的中心区域——可以说，是星系冰山的一角。

在黑暗中摸索

后发座星系团中新发现的暗淡星系是奇特的生物，它们可以追溯到20世纪80年代末首次发现的一些微弱星系。它们几乎完全没有气体，呈圆形，稀疏地分布着古老的红星，它们显然在可见星系密集的ᵐ环境中生存了亿万年。那些相对富含气体和质量的显眼星系及其周围环境，本应在引力作用下将这些不起眼的星系撕成碎片——为什么它们没有被撕碎，这是一个谜。

天文学家也不确定宇宙最初是如何制造出这类物体的。“这就是这个领域目前如此激动人心的原因，”科达说。“我们真的不知道这些星系是什么。”它们可能代表着一群“失败的”星系。尽管范围广阔，但这些未能“启动”的星系可能一开始就没有足够的普通物质，或者以某种方式失去了它，从而抑制了新恒星的形成。

假设是这样，后发座星系团中的扩散星系群可能与马林1号这样的星系截然相反。后者这类低表面亮度星系颜色呈现奇特的蓝色，这是因为存在新形成的蓝色恒星。这些星系可能是宇宙中迟开的花朵，一种缓慢演化的星系，数十亿年后才开始大量产生恒星，而银河系和其他星系早已度过了恒星形成的鼎盛时期。无论是像后发座星系团那样发育迟缓，还是像马林1号那样发育延迟——无论哪种情况，宇宙中的暗淡星系都与传统理论不符。

暗淡星系也可能迫使人们重新思考大尺度宇宙结构及其与暗物质的关系。暗物质最早于1930年代被提出，它不发出任何光，仅通过引力显示其存在。它的真实身份仍然是个谜，但天文学家知道它的数量是普通物质的5倍，并充当引力胶水，将星系聚合在一起。根据最近的研究，像后发座星系团中那些异常坚韧的暗淡星系，似乎几乎完全由这种物质构成。天文学家怀疑星系最初是早期宇宙中暗物质的聚集体，充当了普通物质的“苗床”。

随着宇宙的膨胀，那些暗物质“种子”散布成一个“宇宙网”，通过细薄的暗物质丝将星系团连接在最密集的点上。如果我们只看到了宇宙中最明亮的星系，那么我们就没有关于物质和暗物质如何真实分布的完整图景。“低表面亮度星系是弄清楚宇宙网的团块状结构是什么样的关键之一，”NRAO的奥尼尔说。“它们将帮助我们理解宇宙究竟是如何成长为今天这个样子的。”

最后，通过更准确地计算宇宙的物质含量，暗淡星系也有助于解决长期存在的“重子丢失问题”。尽管很少有宇宙学家严重怀疑由重子粒子组成的普通物质仅占宇宙总质量-能量预算的约5%，但我们所知的可观测物质仍然只有预期的一半左右。“可能有很多物质缺失，”迪士尼说，“它们可能以隐藏星系的形式存在。”

黑暗扫描仪

天文学家们正越来越多地，在某种意义上，看到黑暗。2016年7月，一个团队报告发现了一个巨大的低表面亮度螺旋星系，这是首个被发现能与马林1号大小媲美的星系。与此同时，范多库姆正在扩大蜻蜓远摄阵列，以挖掘更多隐秘的星系。石溪大学的科达对此感到乐观。“在低表面亮度宇宙中将会有很多发现，”他说，“因为现在很多人都在研究它，并试图开发新技术来寻找那里的东西。”

迪士尼认为，在新墨西哥州升级后的VLA进行大规模观测活动，最终可以让我们掌握真正的不可见星系群。一些暗星系，例如后发座星系团中的那些，但氢含量更少，将更难被纳入研究范围。虽然博瑟姆对人类技术能否探测到最暗的星系持怀疑态度，但他坚信它们是存在的。“低表面亮度星系的逻辑延伸就是暗星系，”他说。“没有理由认为它们不存在。”

回顾千禧年之交失败的射电观测，迪士尼渴望弥补失去的时间，继续寻找幽灵宇宙中难以捉摸的星系。“我是那个比任何人都更容易出错的人，”迪士尼说。“我几乎把生命中的40年都花在这上面了，我想知道答案，无论是哪种结果。”

迪士尼认为，我们地球人有一天能如此幸运地目睹宇宙，尽管我们被阳光和星光淹没，这真是一种恩赐。“在如此耀眼的光芒中，”迪士尼说，“我们能进行任何天文学研究都是一个奇迹。”