捕捉到正在形成的星系并非易事。这需要极大的智慧和多年的辛勤搜寻。20世纪80年代中期，作为加州大学伯克利分校的研究生，马克·迪金森（Mark Dickinson）并不介意这份辛苦。他是少数几位幸运的天文学家之一，致力于绘制宇宙最遥远的边界——数十亿光年之外的区域，那里的星系似乎在遥远的过去被“冻结”在它们的婴儿期。这是一项令人沮丧但也有回报的工作：理解星系是如何形成的，对天文学家来说，就像 deciphering 物种起源对生物学家一样重要。
迪金森回忆道，在望远镜旁可能要花费数小时甚至几个夜晚才能获得一个好的候选目标。那是因为他和他的同事们正在与仪器的极限抗争。考虑到光从宇宙远端的星系到达地球所需的时间，他们望向太空深处越远，他们也越能看到更遥远的过去。问题是，他们能看到的并不多。距离仅仅几十亿光年之外的星系就已经变得昏暗、模糊，几乎无法识别。天文学家埃德温·哈勃在1936年写道：“在那里，我们测量阴影……并在测量中幽灵般的误差中寻找几乎没有实质的地标。”从那时起，天文学家们一直试图通过那些阴影般的时代追踪星系的演化，但收效甚微。
但现在情况不同了。遥远星系搜寻者曾经收集到的数据涓涓细流，现在已经变成了名副其实的喷泉。得益于几项关键的技术突破——1992年夏威夷莫纳克亚山巨型凯克望远镜的启用、哈勃空间望远镜视力的提高以及望远镜探测器的进步——现在已经发现了数百个年轻星系，而且每天都在发现更多。早期宇宙正迅速变得相当熟悉。现任空间望远镜科学研究所研究遥远宇宙的迪金森说：“既然我已经习惯了在边缘挣扎，我很想转向一些更模糊的东西。”
华盛顿大学天体物理学家克雷格·霍根说：“理论家们现在数据太多了，我们发现很难赶上。”随着数据的洪流，关于星系形成的旧观念正在瓦解。尤其受到威胁的是，几乎所有星系都在遥远的过去同一时刻出现，像一场盛大的烟花表演一样集体爆发光芒的观点。天文学家曾一度抓住这种解释，因为它最简单。它似乎也符合现有数据：在20世纪50年代和60年代，所有天文学家所能看到的（并不太远）星系看起来都与我们自己的星系大致相同。然而，现在，天文学家认为星系并非一次性，而是像熊熊燃烧的火焰一样，在数十亿年的时间里——几乎是宇宙存在时间的一半——持续而剧烈地从氢和氦的原始海洋中凝聚出来。当然，并非所有人都同意可见宇宙边缘正在发生什么。争议在于星系形成的精确方式。它们中的大多数是在相当早期就达到了它们的完整大小和身份，仅仅在诞生后略微演化吗？还是它们走了“狂野之路”，从更小的碎片开始，逐渐合并和聚结，甚至有时像伊梅尔达·马科斯换鞋一样轻易地交换身份？
对于像霍根这样经历了数据稀缺的艰难岁月的理论家来说，这场辩论令人振奋。他认为天文学本世纪正在经历第三个真正伟大的时刻。第一次始于20世纪20年代，当时埃德温·哈勃通过当时最大的望远镜——加利福尼亚威尔逊山顶的100英寸反射镜——发现银河系并非孤单。在1925年元旦向世界宣布这一事实后，哈勃继续拍摄了数百个遥远的星系，并按形状对它们进行分类。其中大约三分之二是像我们银河系一样的螺旋星系——一个明亮的中央隆起被由气体和恒星组成的螺旋状风车环绕。许多其他星系更致密、呈卵形，或称为椭圆星系，主要由古老恒星组成。哈勃发现，椭圆星系也倾向于聚集在由数百甚至数千个星系组成的富星系团中。一小部分星系，被称为不规则星系，则只是浸没在丰富气体池中的松散恒星集合，没有明确的形状。哈勃还观察到所有星系都以与其距离成正比的速度向外运动——这一观察最终将被解释为宇宙时空结构从大约90亿到160亿年前的大爆炸那一刻开始膨胀（宇宙的精确年龄仍在争议中）。
第二次革命在20世纪60年代达到高潮，当时天文学家探测了电磁波谱的非可见部分。例如，射电望远镜帮助天文学家定位了类星体，它们是数十亿光年之外极其明亮的天体，为早期宇宙与我们当地相对平淡的星系邻域截然不同提供了第一批线索。类星体被认为是一个年轻的星系，其中心包含一个由数百万颗恒星物质形成的超大质量黑洞。当额外的散落物质落入黑洞时，它会发出巨大的光芒，亮度堪比万亿颗太阳。当这些光从宇宙的另一端到达我们时，它已经非常微弱——事实上，微弱到天文学家通过光学望远镜完全忽略了它。幸运的是，大多数类星体还会发出强烈的电磁波，位于光谱的射电部分，这使得它们在通过射电望远镜观测时显得突出。只有利用这些射电辐射作为指向光学望远镜的信标，天文学家才最终对类星体有了清晰的认识。
当时，许多观测者在研究早期宇宙时坚持一种特定的策略。他们认为有一个精确的时代，星系首次形成，所有那些新的星岛相对同步地“亮起”。那是一个气体团以惊人速度引力凝聚——即形成恒星——的时代，因为气体供应正处于高峰。因此，天文学家们正在寻找遥远宇宙中突然爆发光的迹象。他们正在寻找每年形成数百颗恒星的原始星系。（银河系现在每年只形成大约两颗新恒星。）多年来，他们探测了遥远的宇宙，但一无所获。他们只能说遥远的星系和星系团看起来稍微蓝一点，这也许是恒星形成加剧的迹象。年轻而巨大的恒星，能量充沛，倾向于发出更多的蓝光。
而像迪金森和他的同事们则有不同的计划。他们追踪那些声音洪亮、可以跨越宇宙被听到的特别活跃的射电星系。他们推断，也许射电星系发出的轰鸣警报是星系正在新形成的标志。与类星体一样，这种强烈的射电束被认为是从潜伏在星系中心的旋转黑洞发电机中辐射出来的。有了射电信号作为指向光学望远镜到正确位置的指南，观测者就可以对星系进行长时间曝光，因为否则它太微弱而无法被注意到。但是，迪金森指出：“我们必须查看几十个候选目标才能找到一个真正遥远的。这很令人兴奋，但我们最终只得到了这些奇异的星系。正是吸引我们注意的这个特性——强大的射电信号——也使得它们不寻常。天文学家们不确定仅仅通过研究最不寻常的样本就能理解婴儿期的宇宙。”
此时，天文学家面临着一个严峻的困境。经过多年的搜寻，他们发现的来自早期宇宙的明亮天体的唯一证据是这里一个类星体，那里一个射电星系。或许，事后看来，烟花理论在某种程度上是美好的愿望：它所预测的那些极其明亮的光爆，是当时望远镜唯一强大到足以从早期宇宙中探测到的东西。
20世纪90年代初开始投入使用的新仪器为天文学家提供了另一种选择。他们首次能够寻找一种替代方案的更微妙证据——星系是经过数十亿年缓慢形成的，而不是一次性形成的。换句话说，天文学家们有了在假设这些星系可能与我们银河系附近的星系非常相似的情况下，寻找原始星系的手段。加州理工学院天文学家查尔斯·斯泰德尔说：“我们开始问，一个平均星系，就是我们今天周围看到的这种，在70到100亿光年之外会是什么样子？”答案是：“非常非常暗淡。”但斯泰德尔有一种引人入胜的技术，可以将这些昏暗的日常天体从本已拥挤的夜空中分辨出来。
一个新生星系坐落在一片富饶的气体海洋中心（比银河系目前的气体供应丰富得多）。斯泰德尔指出，尽管其核心数百万颗新形成的恒星发出大量明亮的蓝色光芒，但周围的气体却吸收了所有那些紫外光子。能量最强的紫外线根本无法离开星系。因此，如果你使用光谱仪将星系的光分解成彩虹般的不同颜色，所得到的光谱会显示出一个巨大的空洞——一个骤降——这正是高能紫外光子应该出现的地方。
这个简单的效应为斯泰德尔和他的合作者提供了一种开始“剥采”天空寻找幼年星系的方法。他知道，当星系的光穿行宇宙时，它的波长会随着宇宙的膨胀而被拉伸。星系越远，其光线就越向更长的波长移动。蓝光变得更红，而红光波则进入红外领域。这意味着紫外线间隙也会移动。斯泰德尔解释说：“星系光谱中骤降的位置大致可以确定它的距离。这是穷人寻找早期星系的方法。”
这个想法并非斯泰德尔原创，但他和他的同事是首批成功应用该方法的人之一。1991年，他们利用智利的一台望远镜，发现了大约20个潜在的“婴儿星系”。每个候选星系都在正确的位置有一个紫外线间隙。但这只是一种粗略的筛选。为了确定，他们需要更精确的光谱。斯泰德尔说：“没有凯克望远镜是无法完成的。”1995年，他从麻省理工学院转到加州理工学院，正是为了能更接近这个巨型仪器，它拥有一个400英寸的分段镜，比哈勃曾经强大的威尔逊山望远镜宽四倍。抵达一个月内，斯泰德尔就检查了他的候选星系。几乎所有星系都被证明非常遥远，存在于宇宙仅为当前大小的四分之一、年龄约为当前年龄的六分之一的时期。此前的星系搜寻者花费了十多年才从那个时代收集到这样一个样本。从那时起，斯泰德尔已经积累了大约150个星系。
更重要的是，斯泰德尔的星系并不“奇特”。“它们是普通的、司空见惯的星系，”与斯泰德尔合作进行凯克观测的迪金森强调说。两人都认为他们看到的是椭圆星系的初始核心，以及尚未形成的螺旋星系的隆起。（螺旋星系被认为是在气体冷却并围绕隆起沉降后才形成其薄盘的。）斯泰德尔在宇宙遥远区域统计的天体数量与今天存在的明亮星系数量大致匹配。这似乎表明主要的星系组分在大爆炸后的几十亿年内就已经就位。这将把原始星系的平均恒星形成率设定在每年5到100颗新恒星的合理范围。斯泰德尔指出：“按照今天的标准来看，这速度很快，但并非高得离谱。”
一些补充观测支持了斯泰德尔的观点。在过去的十年里，加州大学圣地亚哥分校的亚瑟·沃尔夫一直在寻找原始气体云。沃尔夫利用类星体作为他的工具。当类星体的明亮光芒穿过宇宙时，一些光线会被介入的气体云吸收。通过研究吸收模式——实际上是这些云的“影子”——他可以检查我们与遥远类星体之间的气体，就好像他在检查数十亿光年长的宇宙核心样本一样。
沃尔夫发现，随着你追溯到更远的过去，宇宙中由气体而非恒星和星系构成的部分越来越多。当你到达斯泰德尔所观测的时代——距离大爆炸还有五分之四的距离时——他看到大部分质量都束缚在中性氢气中。他发现，这些气体的质量等于当今宇宙中所有恒星的质量。这让许多人相信我们正在看到星系的前身。凯克望远镜的强大功能使沃尔夫和他的同事能够观察这些气体云的运动。即使在这个早期的、气体阶段，它们似乎已经表现出像银河系大小的盘状结构，只是更厚。沃尔夫说：“这表明健康、巨大的螺旋盘已经就位。”他相信，这意味着最大的星系形成得相当快，然后基本上保持完整地进入现代时代。较小的天体，他称之为“星系绒毛”，则是在后期才聚结起来。组装过程是从大到小进行的。
还是反过来？哈勃太空望远镜的证据表明是这样。1995年12月的十天里，哈勃将目光聚焦在天空的一个点上，拍摄了342张延时曝光照片。这些图像随后被组合并经电脑增强，产生了有史以来最深远的宇宙图像——哈勃深空场。太空望远镜科学研究所所长罗伯特·威廉姆斯说：“这张照片将我们带回数十亿年前，大约是大爆炸的80%。它很美丽，但意义也极其深远。这是一次考古发掘，让我们看到了大约2000个处于不同发展阶段的星系。”在过去的一年里，世界各地的天文学家像饥饿的食人鱼一样吞噬着它的数据。
詹姆斯·洛文塔尔和戴维·库等人，在加州大学圣克鲁斯分校，前往凯克望远镜详细研究了深空场。他们看到了许多与斯泰德尔观测到的相同的星系，但发现它们的数量远多于今天所见的。它们都去哪儿了？洛文塔尔推测，要么其中一些天体已经变得如此暗淡以至于我们今天看不见它们，要么它们已经合并了。在库看来，这些天体看起来相当小而模糊，仿佛它们是较小的气体构件，而不是独立的早期星系。也许一个星系并非从一个巨大的气体云中完全形成。相反，它可能由更小的结构组合而成，就像一套宇宙规模的乐高积木。
这一观点得到另一项哈勃观测的额外证据支持，该观测由亚利桑那州立大学和阿拉巴马大学的天文学家进行。该团队利用太空望远镜对武仙座天空中的一小点进行了多张曝光。他们发现了18个乐高积木般的小天体，所有天体都距离约110亿光年，密集分布在一个仅200万光年宽的区域内，大约相当于银河系与其最近的螺旋伴星仙女座星系之间的距离。他们相信自己成功捕捉到了亚星系团块正在合并成一个或多个星系的过程。亚利桑那州立大学的天文学家罗吉尔·温德霍斯特坚称：“我不认为这些天体很特别。我怀疑我们会在整个天空中看到它们。”他们已经在另一个随机选择的区域发现了类似的结构。
但批评者警告说，从那个遥远时代收集到的光本质上只显示了紫外线中的物体，这可能会产生误导。这些致密天体可能只是隐藏的成熟星系中活跃的恒星形成区域，就像挂在黑暗圣诞树上的明亮灯光。为了解开这个谜团，天文学家们正试图观察这些明亮天体的运动，以确定它们是真正独立的，还是只是更大星系中明亮的部分。
如果这些遥远天体果真很小，那将令理论家们无限欣喜。他们倾向于一种星系形成配方，该配方要求微小单元融合成更大的集合体，从矮星系到巨型星系。德国马克斯·普朗克天体物理研究所所长西蒙·怀特近二十年来一直致力于完善这种配方。根据他的计算机模型，首先形成的是小型气体盘，每个大约3000光年宽（与温德霍斯特及其团队声称他们所见的物体大小大致相同）。这些反过来又会结合形成星系的中心部分，即它的隆起。有些隆起可能会非常迅速地耗尽剩余气体，在这种情况下，除非它们从其他来源吸收新的气体，否则它们会变成矮椭圆星系。如果气体充足，并且其他条件合适（例如，它们没有与其他物体拥挤在一起），它们可能会被气体盘环绕，并变成巨大的螺旋星系，其中新恒星会形成更长的时间——比斯泰德尔和沃尔夫的观测所暗示的快速演化要长。
一旦形成，星系是否会保持其身份？怀特的回答是“不”。“我敢打赌，星系是不断变化的。”例如，一个螺旋星系之后可能会遇到另一个螺旋星系并合并，形成一个球状的巨型椭圆星系。事实上，一些附近的椭圆星系中已经发现了螺旋盘的遗迹。怀特设想了一个充满巨大活力的宇宙；直到现在，星系才开始耗尽燃料供应而逐渐衰弱。“我们正在进入一个宇宙倦怠的时代，因为可供星系形成恒星所需的气体越来越少。”
如果天文学家能够追踪一个特定的星系随时间的变化，那么星系形成之谜将迎刃而解，可惜这是不可能的。怀特指出：“我们可以用望远镜作为时间机器，但我们不是在这里就是在那儿。我们不能等待任何单个星系演化。”然而，通过在他们的宇宙相册中添加更多的快照，他们可以建立一个时代与下一个时代之间的联系。天文学家们也正在观察宇宙的后续发展阶段——它的青少年时期，大约在50亿到70亿年前。到目前为止，来自这个宇宙时代的观测显示，椭圆星系似乎异常古老且未受干扰，仿佛它们已经保持了亿万年不变。但也有参差不齐、形状奇特的螺旋星系正在合并和相互作用，以及明亮的矮星系正在爆发式地形成恒星，仿佛它们正在建设中。这为星系形成辩论的双方都提供了弹药。
库说：“我知道这听起来像是我在犹豫不决，但我认为关于星系形成的两种观点都是正确的。”库认为天文学家就像寓言中摸象的盲人，一直在触摸宇宙的不同部分。他指出，不同的天文技术往往会选择不同类型的物体。“如果你坚持认为星系只以一种方式演化，那么你最终会陷入困境。这反映了我们简化的需求，但我相信宇宙能够容纳丰富的多样性。”
随着新数据的收集，想法可能会迅速改变。南半球的哈勃深场调查正在计划中，以便天文学家能够利用智利——南半球的天文学圣地——即将投入使用的一系列巨型望远镜进行后续工作。而深入太空意味着观察更长的波长，因为宇宙膨胀将星系的光拉伸到可见光谱之外。先进的红外望远镜有望将我们的宇宙视野推向更远的过去。
新发现的线索已经出现。法国和日本的射电天文学家都已在遥远宇宙中探测到一氧化碳分子，这可能是尚未探测到的更早时期恒星爆发的残留物。迪金森说：“我们就像撑竿跳高运动员，不断把那根杆子抬得更高。”
