宇宙中有多少星系？我们看得越红，看得越多

伊桑·西格尔是一位居住在俄勒冈州波特兰的理论天体物理学家，专攻宇宙学。他自 2008 年以来一直在为大众撰写关于宇宙的文章，并迫不及待地等待詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射。这篇文章的一个不同版本曾出现在他的博客《宇宙开端》上。

“只有深入深渊，我们才能找回生命的宝藏。你在哪里跌倒，哪里就埋藏着你的宝藏。”——约瑟夫·坎贝尔

哈勃太空望远镜所做过的最勇敢的事情之一，就是找到一片完全空无一物的星空——没有明亮的恒星，没有星云，也没有已知的星系——然后对其进行观测。不是几分钟，不是几小时，甚至不是一整天。而是轨道接轨道，花费了大量的时间，凝视着空虚的黑暗，记录下纯粹黑暗一张又一张的图像。

我们能找到什么，在我们能看到的界限之外？有什么东西？还是什么都没有？ 在对这片微小的天空区域进行总计超过 11 天的观测后，我们发现了这个

有史以来最深邃的宇宙视野——哈勃超深场——便是这次观测的结果。尽管花费了所有的轨道时间来观测这片看似空白的天空，但我们实际上是在探测遥远的宇宙，看到了任何肉眼——即使是借助望远镜——也无法企及的景象。为了得到这些结果，我们跨越了四种不同的滤光片，进行了字面上数十万秒的观测。

你所看到的光点或光斑——几乎每一个——都是一个独立的星系。结果告诉我们，在极小的天空中存在着大量的星系：在哈勃超深场图像（见下文）所 surveyed 的微小区域中，大约有 10,000 个星系。

图片来源：NASA、ESA、S. Beckwith (STScI) 和 HUDF 团队

通过将这些结果外推到整个天空（大约是其 1000 万倍大），我们能够得出估计——至少——整个宇宙中至少有 1000 亿个星系。我甚至制作了一个视频来介绍它。

但这并不是故事的结局；远非如此。你看，根据我们的观测，可能至少有 1000 亿个星系，但可能更多。那些暗到“仅仅”依靠 11 天的哈勃数据无法观测到的星系。那些红移过大，甚至连哈勃最远的红外滤光片也无法捕捉到的星系。那些如果我们有足够的耐心去寻找，也许就能看到的星系。

所以，这正是我们所做的，在过去十年里，我们总共花费了23 天——比超深场观测时间长一倍多——来观测一个更小的空间区域。（每个周期都有超过 1000 个观测提案提交给哈勃，所以即使是分散在十年中，获得这么多的观测时间也是非同寻常的。）女士们先生们，请允许我向你们展示哈勃极深场！

图片来源：NASA、ESA、G. Illingworth、D. Magee 和 P. Oesch（加州大学圣克鲁斯分校）、R. Bouwens（莱顿大学）和 HUDF09 团队

这张图片可能看起来很熟悉，即使你可能从未见过它。极深场（XDF）实际上是超深场（HUDF）的一部分，如果你将两张图像按比例缩放并以 4.7 度相互旋转，就可以自己看到了，我在这里就这么做了。

在相似的空间区域内，XDF 中的星系数量远多于 HUDF。自己看一看这些图像的一小部分，将它们并排对比，你可以清楚地用自己的眼睛看到 XDF 中有多少更多的星系。

图片来源：HUDF 和 XDF 图像的裁剪、相同的局部

当然，左边的超深场图像非常令人印象深刻，特别是考虑到——看起来——这只是一片没有特征的空白天空。但 XDF 中的每片天空的星系数量要多 75%！将 XDF 的结果应用于整个天空，我们发现整个宇宙中大约有1760 亿个星系，与我们从 HUDF 得出的先前估计值相比，有了巨大的增长。

我们如何估计有如此多的星系？首先，XDF 的面积只是满月的一个微乎其微的一小部分。

插图来源：NASA、ESA 和 Z. Levay (STScI)；图像来源：T. Rector, I. Dell’Antonio/NOAO/AURA/NSF, Digitized Sky Survey (DSS), STScI/AURA, Palomar/Caltech, and UKSTU/AAO

如果你假设 XDF 是外层空间的一个典型区域，你就可以计算出填满整个夜空需要多少个 XDF；大约是3200 万个。乘以你在 XDF 中找到的星系数量——大约是 5500 个——这就是我们得出宇宙中至少有 1760 亿个星系的结论。

但这并不是故事的全部。

我们选择了一个附近星系很少，或者光线传播到我们这里只需要几亿年的星系的区域。我们特意选择了一个附近宇宙中密度较低的区域。XDF 发现了许多星系，它们的星光传播了 5 到 90 亿年才到达我们这里，这些是相对暗淡的星系，HUDF 根本无法捕捉到。但它真正闪光的地方在于早期宇宙，它能发现那些星光已经传播了 90 亿年以上的星系，并在那里发现了大多数新星系。

但即使是 XDF 也不是为寻找这些星系而优化的；我们需要一架红外太空望远镜，而这正是詹姆斯·韦伯将要做的。当它到来时，我不会惊讶地发现，可观测宇宙中可能接近一万亿个星系；我们只是还没有找到所有这些星系的工具。在此期间，我们最好的工具——哈勃太空望远镜——正在向我们展示，我们看得越深，就越会不断地获得新的、微弱的、遥远的星系，以及发现已发现星系中更丰富的细节。

这让我对更强大的、能够看到红外线的望远镜感到多么不耐烦，因为我忍不住想知道，即使是 XDF 也仍然看不见什么。星系数量翻倍？翻四倍？更暗的、更红的、更远的星系，或者所有这些？我们的宇宙中至少有 1760 亿个星系，但我忍不住想知道，“还有多少？”

新的哈勃极深场是迄今为止最深的宇宙视野。还有什么好说的呢？享受美景，探索我们刚刚发现的，并惊叹于我们视线之外还有什么其他生命存在。这是我们从未见过的、整个宇宙的微不足道的一部分。