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及時章 星系與宇宙學

及時節 在天文學中的地位、發展規律和研究特點

一、星系宇宙學在天文學中的地位

星系是由數百萬至數千億顆恒星、氣體、塵埃、中心大質量黑洞和暗物質構成的天體系統， 空間尺度達數千至數十萬光年， 分布于百億光年空間中的數以百億計的星系以及星系際物質構成了目前可觀測的宇宙。

星系天體物理和宇宙學以各種天文觀測方法獲取的信息為基礎， 利用現代物理學提供的理論工具， 以及天文學其他分支特別是恒星物理的成果， 研究各類星系和星系集團的空間分布、形態結構、物理性質、化學組成， 研究星系核的活動特征和產能機制， 大質量黑洞的分布、形成和演化， 研究宇宙中其他物質成分(如暗能量、暗物質、微波背景輻射、星系際介質等) 的空間分布和本質， 并進而研究星系以至整個可觀測宇宙的起源和演化歷史， 探索支配宇宙和星系起源和演化的物理規律。

星系宇宙學涉及的空間和時間尺度分別從普朗克尺度和普朗克時間到百億光年和百億年， 跨度均達60 個量級； 能量尺度從微波背景到普朗克能量，跨度亦超過30 個量級。這樣巨大的時空和能量跨度不僅遠遠超出了地球上實驗室的范圍， 甚至遠遠超出了天體物理其他學科領域(如太陽系和銀河系)所涉及的范圍， 從而使該領域的研究處于天文學的前沿。對暗物質和暗能量、大爆炸元素核合成、宇宙微波背景、宇宙大尺度結構、星系及大質量黑洞等的觀測和理論研究， 大大豐富了對宇觀尺度上和極端條件下物理規律的認識，同時也對現有的物理理論提出了挑戰。黑洞和活動星系核的研究為檢驗強引力場中的廣義相對論和其他物理理論提供了地面無法實現的極端物理條件(超強引力場、超高溫等) 的實驗室。

作為活動星系核中能量最為巨大的一類， 類星體最早在宇宙現今年齡的百分之幾的早期就已經形成。這些遙遠而明亮的"宇宙燈塔" 一直被作為宇宙學探針， 用來研究宇宙中的成團及彌散的物質分布、成分和金屬豐度等，甚至用來限制宇宙學模型和參數。活動星系核中心的大質量黑洞通過吸積與并合不斷增長， 并通過輻射、物質和能量注入等方式來反作用于星系， 從而影響和制約星系的形成與生長。黑洞周圍存在著奇特的物理狀態和過程， 有些涉及其他的天體物理學領域。例如， 黑洞的產生和黑洞之間的并合會產生引力波輻射，這為引力波的探測和研究提供了天然輻射源。活動星系核產生的相對論性噴流同樣存在于其他天體中(如γ 射線暴) 。活動星系核是研究噴流的產生和加速、從黑洞提取能量以及高能粒子加速的物理機制的實驗室。噴流中的高能粒子及其輻射的研究與粒子加速過程、宇宙線的探測和研究等學科相關。

從研究人員、科學論文， 特別是關鍵科學問題和重大成果幾方面的統計可以看出， 近20 年來星系和宇宙學研究有了明顯發展， 已在整個天文學中占有主導地位。

二、星系宇宙學的發展規律和研究特點

星系宇宙學的發展可以歸納為"觀測和理論研究共同驅動" 。20 世紀初，哈勃在M31 中證認出造父變星， 由其視亮度和造父變星的周光關系歸算出到M31 的距離， 證實了其為河外星系。哈勃又利用24 個星系的數據得到了星系退行的哈勃定律， 揭示了宇宙膨脹的規律； 哈勃膨脹規律在現代宇宙學模型(即廣義相對論和宇宙學原理) 得到圓滿的解釋， 標志著現代宇宙學的開端。20 世紀六七十年代， 宇宙微波背景輻射的發現和宇宙大爆炸核合成理論成功解釋宇宙的輕元素豐度， 則把大爆炸宇宙學的地位提升到了現代天文學的主流領域之一； 同時氦元素豐度的測量限定了中微子的代數目小于4 ， 好于當時粒子物理的實驗數據結果。其后暴脹宇宙學模型的提出， 解決了經典大爆炸宇宙模型的平直性和超視界擾動的問題。20 世紀80 年代， 星系紅移巡天和大型星系成像源表的出現， 成為檢驗宇宙大尺度結構形成與演化理論的最重要的觀測統計數據之一； 研究結果確立了宇宙中物質是由暗物質主導的， 并且冷暗物質主導的結構形成模型成為解釋觀測數據的主流模型。1991年COBE 衛星首次測量到的宇宙微波背景各向異性， 成為支持暗物質主導的宇宙暴脹理論的有力觀測證據。1998 年通過Ia 型超新星的測量發現了宇宙加速膨脹， 以及后來的宇宙微波背景、宇宙大尺度結構和更多Ia 型超新星的觀測數據對上述發現的證實， 更是把暗能量問題推到了科學研究的最前沿。

星系形成的研究也從單一星系系統的經驗性研究轉入冷暗物質主導的結構形成模型中統一研究， 而星系經驗性研究的重要成果如星系的化學演化模型、星族合成模型、星系塵埃模型等被有效地移植到冷暗物質主導的星系形成理論， 使得星系形成成為宇宙結構形成理論的組成部分， 并且能夠將不同環境和不同宇宙年代的星系性質聯系在一起。20 世紀末， 哈勃空間望遠鏡的深場觀測、Keck 等10 米級光學望遠鏡和斯必澤(Spitzer) 空間紅外望遠鏡的使用， 將星系演化的研究追溯到宇宙年齡僅為當前年齡1 /10 的宇宙早期；而以斯隆數字巡天(Sloan digital sky survey ， SDSS) 為代表的廣角的大型紅移巡天描繪了星系性質與宇宙環境之間的對應關系， 這些都成為檢驗星系理論的重要觀測結果； 而星系形成理論則是理解不同環境和不同時期星系性質的理論工具。

早在20 世紀40 年代， 一類具有核區強發射線輻射的特殊星系(塞弗特星系) 就已經被注意到； 但直到20 世紀60 年代， 隨著類星體的發現， 人們才開始逐漸認識到這些星系的核區存在劇烈的非恒星活動， 即活動星系核。

其典型的特征為從射電到γ 射線波段能量巨大的電磁波輻射， 部分天體中還存在準直的、具有相對論性速度的粒子噴流。自20 世紀60 年代類星體的發現到70 年代之間， 對活動星系核產能機制的理論探索促進了黑洞吸積理論的建立和發展。天體物理學黑洞是指具有極端質量密度的天體， 其超強的引力場使得進入其邊界的任何物質(甚至光) 都無法逃離。存在于星系中心的大質量甚至超大質量黑洞(十萬至幾十億倍太陽質量) 在吸積周圍物質的過程中將其引力勢能轉化為熱能及其他形式的能量并通過電磁輻射和物質外流的形式釋放出來。隨后的大量觀測事實給出了大質量黑洞存在的間接證據， 并基本確立了黑洞吸積的標準模型地位。活動星系核在觀測上呈現出豐富的多樣性， 對這些性質的研究也促進了活動星系核統一模型的建立和發展。近20年以來的高靈敏度的多波段巡天(主要在射電、光學、X 射線等波段) 已發現了數以十萬計的活動星系核。

經過幾十年的努力， 人們已經找到了大質量黑洞存在于我們銀河系以及幾十個臨近星系中心的證據， 并發現了黑洞與星系核球的質量之間存在密切關系。在此基礎上人們推測， 在幾乎每一個大星系中心可能都存在一個(超) 大質量黑洞， 并且與星系在形成和演化上可能存在著某種關聯。產生這種關聯的很可能的途徑是黑洞通過向星系反饋吸積所產生的能量和物質(輻射、噴流、外流等) 抑制了星系中氣體的進一步冷卻， 從而起到制約星系演化的作用。當今的研究趨勢是將大質量黑洞和星系的活動納入到冷暗物質主導的星系形成理論框架中去研究， 探索它們的共同形成和演化。

對遙遠或暗弱天體的探測要求大的望遠鏡聚光面積以及靈敏的探測器。對于星系和活動星系核， 高分辨成像觀測可以獲得其形態和結構的直觀信息。星系和活動星系核在紅外、光學、紫外和X 射線可以產生非常豐富的吸收線和發射線， 對這些譜線高信噪比的精細觀測同樣需要大的望遠鏡聚光面積和高的探測器光譜分辨率； 而大面積的巡天觀測要求建造視場更大、靈敏度更高的望遠鏡和探測器。從學科的發展歷史來看， 任何一個波段觀測技術手段的進步， 包括新的觀測波段的開辟， 靈敏度、空間和光譜分辨率、視場和巡天效率的提高， 都會帶來對星系、宇宙學和活動星系核研究的促進甚至飛躍；另一方面， 星系宇宙學研究的需求又促進了望遠鏡技術和探測技術的發展。

對多波段觀測的需求和天文大型設備走國際化道路的大趨勢， 使得該領域成為合作性、國際性很強的一個天文研究領域。

第二節 國際研究現狀和發展趨勢

一、概況

根據國際天文聯合會1979 年第17 次大會的統計， 4538 名會員中參加星系和宇宙學兩組的共425 人， 占總人數的9.4% 。到1988 年第20 次大會時，兩組合計850 人， 占12.8% 。2006 年第26 次大會時增至1396 人， 占會員總數9258 的15.1% 。

據《天文學和天體物理學文摘》的統計， 1980 年全世界發表的有關星系和宇宙學論文共1229 篇， 占總數7.6% ， 1990 年達3565 篇， 占總數的16.3% 。1997 年共5183 篇， 占總數的22.9% 。2004 年估計7000 篇左右， 占總數的25% 左右。

美國國家研究院組織的天文學和天體物理學調研委員會在《新千年的天文學與天體物理學》學科發展報告里， 列出了5 個有望在21 世紀初及時個10 年取得進展的關鍵科學問題， 前3 個都屬于星系宇宙學領域。

在美國《科學》雜志1997 年以來評出的80 項突破性科學成果中， 有18項屬于天文學領域， 其中7 項屬于星系、宇宙學領域， 特別是1998 年的宇宙加速膨脹的發現、2003 年暗宇宙的觀測更被列為當年科學突破之首。

由以上研究人員、科學論文， 特別是關鍵科學問題和重大成果幾方面的統計不難看出， 近20 年來星系和宇宙學研究有了明顯發展， 已在整個天文學中占有主導地位。

二、近幾年取得重要成就的主要領域

(一) 宇宙加速膨脹和暗能量的發現、宇宙早期的聲波和宇宙學參量的測定

通過對高紅移超新星的視星等紅移關系的測量， 發現宇宙在加速膨脹， 這是宇宙中存在負壓強的暗能量的直接證據。以Boomrang 、Maxima 和WMAP 為代表的宇宙微波各向異性探測設備， 測定了角度大于0.2 度的微波背景的角功率譜， 從而測定了宇宙復合時期的重子聲波性質以及宇宙模型的主要參量， 使得宇宙學研究進入到了宇宙學時代。CBI 和WMAP 探測到了微波背景的偏振信號， 其結果支持宇宙早期擾動是絕熱的論點。SDSS 利用亮紅星系的紅移巡天樣本， 測量到復合時期遺留下來的星系分布中的重子聲波振蕩， 其結果一方面支持宇宙大爆炸模型， 一方面成為測定宇宙學模型測量的重要物理量； 利用賴曼阿爾法吸收森林測量早至宇宙10% 年齡處的暗物質的成團性， 成為測量宇宙學參量和宇宙結構早期演化的重要觀測手段。

(二) 宇宙再電離過程

SDSS 觀測了高紅移類星體的光譜， 發現紅移大于6.5 處的類星體的賴曼吸收明顯增強， 表明宇宙最近一次再電離發生在紅移6.5 至7 處；WMAP從微波背景光子的偏振觀測， 推斷宇宙最早一次的再電離發生在紅移為12處。因此， 宇宙的再電離可能發生了多次。WMAP 的結果若被證實， 將對早期宇宙物理和及時代天體形成的研究產生重要的影響。隨著PLANCK 衛星的成功發射和低頻微波天線陣(LOFAR 、21CM 、MWA 以及將來的SKA)的建造， 觀測研究正在逐步揭開宇宙再電離過程和及時光天體形成的奧秘。

(三) 星系中心黑洞存在的證據和普遍性、黑洞與星系的共同演化

近年來多波段高空間分辨的觀測(尤其是恒星的運動) 顯示， 在我們銀河系中心極有可能存在一個大質量黑洞(約400 萬太陽質量) 。哈勃空間望遠鏡和其他一些高分辨設備的觀測表明， 臨近宇宙中的正常星系中心普遍存在一個大質量黑洞。進一步的觀測研究發現， 黑洞質量與星系核球的引力勢阱或核球質量存在緊密的相關關系。這一令人驚奇的關系意味著大質量黑洞在星系中心是普遍存在的， 并且它的形成和演化與星系的形成演化有著某種密切的相互作用或制約關系。另一方面， 人們也開始認識到星系核的活動性是相當普遍的， 只是大部分星系的活動性都非常低。近年來在矮星系中心也發現了存在著質量小于百萬太陽質量的黑洞， 使得人們一直在試圖尋找的恒星級黑洞和超大質量黑洞之間的空缺范圍在一定程度上得以縮短。黑洞通過反饋由吸積所產生的能量(輻射、噴流、外流等) 抑制了星系中氣體的冷卻，進而影響星系的形成和演化。Chandra 和XMM?Newton 衛星的X 射線觀測，表明星系團和星系群的中央的氣體被某種能源加熱， 而中心星系的黑洞的反饋是一種可能的解釋。

(四) 引力透鏡巡天

2000 年弱引力透鏡剪切相關函數的成功測量， 標志著弱引力透鏡觀測進入到了一個新的階段， 能而無偏袒地測量宇宙的物質空間分布， 將成為探測暗能量的物理本質和研究宇宙學的重要手段。Bullet 星系團的引力透鏡測量表明暗物質的分布與星系數密度的分布一致， 而與熱氣體的分布存在差異， 支持冷暗物質主導的模型； 從COSMOS 數據成功構造宇宙的3 維引力勢分布； CFHTLS 的弱引力透鏡剪切相關函數的測量為當前最的測量， 其測量結果與WMAP 的宇宙學測量測量結果一致。

(五) 宇宙的恒星、星系、黑洞的形成和演化歷史

隨著Hubble 深場、Chandra 深場、Subaru 多色深場、COSMOS 巡天等深度星系巡天的開展， 在高紅移星系的光度函數、恒星質量、恒星形成率、空間分布的測量方面取得了重要的進展， 較好地測量了宇宙恒星形成的歷史，發現大質量星系早形成、小質量星系晚形成的downsizing 演化規律。即使大質量星系在形成后的演化， 也不是簡單的被動演化， 它們的尺度隨時間有明顯的增長。高紅移類星體的觀測也說明， 黑洞也存在downsizing 演化規律，特別是質量近10 億太陽質量的黑洞在宇宙早期百分之幾年齡的時期就已經形成， 高紅移類星體的光譜與近鄰類星體的光譜非常相似。這些高紅移的星系和類星體的觀測為研究宇宙早期星系和黑洞的形成提供重要的線索， 同時也