​星系为什么那么亮

国际空间站上的阿尔法磁谱仪（AMS）

一个星系从形成、壮大到熄灭的过程如何，取决于一个星系所能够聚敛的周围能量，以及消耗这些能量的方式。银河系是宇宙中一个普通的星系，宇宙中大概含有数以千亿计的类似规模的星系，但是这些星系的亮度却不相同。根据天文学家的观测，有一些星系的亮度是银河系亮度的上千倍——这些星系是如何产生的？它们在宇宙中持久燃烧数十亿年的能量又是从何而来？实际上，宇宙的奥秘远不止于此，自从宇宙学诞生以来，人类如同一个霍然见到了真理大海的孩子，又如同盲人摸象般，用各种方法试图描绘整个宇宙的面貌。人类利用国际空间站、地面探测器、计算机模型等手段，既想描绘宇宙的现状，又想理解宇宙何以演化至此。

在宇宙只有现在五分之一年龄的时候（30亿年左右），有些星系以异乎寻常的速度制造了大量的恒星——每年可以产生出100颗左右太阳级别的恒星，这个速度是现在银河系产生恒星速度的100倍。以这样的速度制造恒星，对于一个星系来说，会过快耗尽它的燃料，因此这只能是一个短期的过程，天文学家们估计，目前在宇宙中最明亮的星系，大多都是由不同的星系碰撞合并而成。

但是根据计算机模型的模拟结果来看，虽然星系之间的碰撞、合并可以产生出远比银河系明亮的星系，但是数量却没有目前人们所观测到的明亮星系这么多，也就是说，目前宇宙中大多数耀眼的星系，并不是由小星系的碰撞合并而成。通过对于那些耀眼星系结构的细致观测，人们或许可以发现这些星系形成的原因，但是目前人类观测这些遥远的明亮星系的手段极其有限，其分辨率很难让人做出准确判断。

2015年9月24日，美国西北大学的研究人员与合作者们在《自然》（Nature）杂志在线发表文章《由气体十亿年间塌缩形成的亚毫米波明亮星系》（The Formation of Submillimetre-bright Galaxies From Gas Infall Over A Billion Years），报告了他们使用一种被称为“现实环境反馈”（Feedback In Realistic Environments）的计算机模型，模拟了明亮星系另外一种可能的形成过程。在这个模型中，明亮的星系中存在一种对于内部能源的“循环利用”。在星系内部形成恒星的过程中，内部辐射所形成的压力把星系内部的气体和灰尘排斥到了星系外部，而随后，因为星系的引力作用，这些物质又回到了星系内部，参与下一轮的恒星形成过程。这样一个气体和灰尘反复进出星系的过程，使星系内部形成恒星的时间得以延长。根据这个模型，一个星系可以每年形成500至1000颗恒星，而这个过程可以维持10亿年的时间，这可能正是维持着宇宙中存在数量众多的明亮星系的原因。

这种计算机模拟结果给出了星系和恒星形成的一个新的可能，但英国杜伦大学的天文学家伊恩·斯迈尔（Ian Smail）评论说，这个计算机模拟并没有延续到现在，这些循环利用能源的星系至今演化成为什么形态还不清楚，想要弄清这些星系真正的形成过程，最终还需要更精确的观测。

美国马里兰大学帕克分校的研究人员正在对ISS-CREAM设备进行检测

除了电脑模拟，人类对于宇宙的探测也同时在地面和空间站上进行。经过十几年准备的国际空间站项目正在太空中进行探测，而在一年之内，两个新设备就可能会被安装在国际空间站上，使它成为一个探测高能宇宙射线的重要观测站。

国际空间站上最重要的探测设备——花费了15亿美元的阿尔法磁谱仪，主要用于探测宇宙中的高能粒子。在此之上，计划在一年之内添加的两个设备将可以使国际空间站的高能粒子能量探测范围高出几倍。

宇宙中的高能射线是天体物理学家们最感兴趣的课题，通过探测这种粒子，天体物理学家可能窥探到发生了剧烈爆炸的遥远天体的内部状况，了解到是什么宇宙现象把粒子加速到这种状态。在地球表面上也有探测这种高能宇宙射线的设备，但是当高能宇宙射线到达地球时，会与大气层的原子发生碰撞产生出各种粒子，因此地面上的探测设备只能间接地探测宇宙射线与地球大气层发生碰撞后的产物，而在大气层之外进行探测，就可以直接探测到这种超新星爆发的产物，或是经过脉冲星、暗物质、黑洞加速过的高能宇宙射线。

阿尔法磁谱仪是一个通用的设备，它可以探测一定能量范围内的高能电子、质子、原子核和反物质，而耗资3300万美元的CALET设备，将只用于探测高能电子。在宇宙中高能电子的能量衰减非常快，因此，这个设备将只探测几千光年之内的高能电子，这有助于人们理解在地球附近的各种高能宇宙现象。

另外一个定于2016年6月发射的ISS-CREAM设备，将主要探测高能原子核，这可以使人们深入理解超新星的爆发过程。目前科学家们对于超新星的爆发机制还有各种不同意见，对高能原子核的探测将是人类理解超新星爆发机制的最好机会。另一方面，在高能宇宙粒子的观测中，始终令科学家们感到不解的，是其中存在的“膝盖”部分：在探测到的高能粒子图标中，在某一个能量范围内，会存在一个拐点，从绘图看上去像是人腿的膝盖部位，也就是说，在某个能量值以上，粒子的数量急剧减少。至今人类对于这个拐点出现的原因还存在分歧，有科学家认为，这可能是因为超新星爆发的过程中燃料耗尽时会出现一个显著的转变，于是体现在这个拐点上。至于这个理论是否成立，也将取决于ISS-CREAM仪器探测的结果。

无论是计算机模型、太空中的国际空间站，还是在智利、中国、美国等国家正在建设的高能射线探测器阵列，人类探索宇宙的手段越来越多，对宇宙的认识也越来越全面，这是人类文明发展过程中首次的自我启蒙，必将深刻地改变人类文明。而我们，正在见证这一历史。

（本文写作参考了《科学》杂志的报道） 科学天文国际空间站宇宙超新星星系探测