宇宙中的星系有多少

□ 国家天文台 李 然

宇宙中的星系有多少

□ 国家天文台 李 然

哈勃极深场图像。这张照片是哈勃空间望远镜对11平方角分的天空进行持续曝光后呈现出的结果。这个面积只有月球视觉面积的大约百分之一左右，却布满了人类能够看到的距离我们最远处的星系。天文学家长期借助这块天区里的星系来研究宇宙在不同时期的演化。图片来源:NASA,ESA

哈勃极深场（Hubble Ultra-deep Field）的图像大概是人类有史以来获得的最激动人心的照片之一。哈勃空间望远镜用400个轨道周期的时间，对一块看上去空无一物的天空持续曝光一百万秒，成千上万的星系于是浮现出来，犹如璀璨的宝石。这张照片仅仅拍摄了11平方角分的天空。这个面积只有月球视觉面积的大约百分之一左右，却布满了人类能够看到的距离我们最远处的星系。天文学家长期借助这块天区里的星系来研究宇宙在不同时期的演化。但最近，诺丁汉大学（Nottingham）克里斯托弗·孔塞利切（Christopher Conselice）等人发表在电子预印本(astroph：1607.03909v2 )上的一篇论文显示，科学家可能还远远没观测到这块天区里的所有星系。

读者可能听说过宇宙视界的概念，这是人类能够观测到的宇宙最大的尺度。视界的存在是由于光速——宇宙中传递信息最快的媒介——是有限的。视界的大小反映了宇宙诞生之后光线所能传播的最大尺度。根据今天测量的宇宙模型参数，宇宙的年龄是有限的，大约是137亿年。换句话说，望远镜接收到的光，最早来自于137亿年前。如果有一束光在137亿年间完全不受阻挡，沿着空间中的“直线”传播，今天来到我们面前，它就携带着我们所能得到的最远的信息。如果考虑到发出光线的地方因为宇宙的膨胀在急速地远离观测者，那这个地方的实际距离要比光速乘以宇宙年龄大得多。宇宙学家计算，理论上我们能够接收到的最远的光发出的地方今天已经离我们470亿光年远了。也就是说，可观测宇宙的极限，也就是宇宙今天的视界是470亿光年。光速有限的一个直接推论是当我们看向远处的宇宙，我们同时也看向过去。当我们看到一个星系在距离银河系数万光年以外，我们看到的实际上是它数万年以前的样子。

哈勃极深场中距离我们最远的星系大约距离我们300亿光年，我们看到是它们在宇宙诞生之后6.5亿年时的样子。这时宇宙还处于少年期，物质更加密集，星系也更加年轻。星系演化学家的任务就是去了解这些早期的星系是如何通过合并，吸积等过程，成长为今天宇宙中的样子。哈勃极深场图像只是研究宇宙星系演化的数据中的一部分。自从1970年以来，已经相继有CfA红移巡天（CfA Redshift Survey），2微米全天巡视（2MASS），2度视场红移巡天（2dF Survey），斯隆数字化巡天（SDSS），加拿大-法国-夏威夷望远镜巡天（CFHT），暗能量巡天（DES，The Dark Energy Survey）等不同的星系普查计划提供给研究者大量的星系样本。每一个不同的巡天抵达的深度都不一样，其中分别包含了不同宇宙时间的星系。这些大面积巡天的星系样本远远不如哈勃极深场看得深入，但它们能提供更大天区的数据，帮助研究者了解相对邻近的宇宙。

诺丁汉大学的研究者们发现，虽然过去的研究者认真地分析了星系在不同宇宙时间数目的演化，但没有人真正把所有的星系加起来，看看一共有多少。于是这些研究者做了一件很简单的事情，他们从不同的观测中抽取了星系的光度函数（也就是星系在不同光度处的数密度）。每一个不同的观测反映了宇宙中某一个深度处的星系数目。从这些数据中，诺丁汉大学的研究者可以拟合一个星系数密度的公式，这个公式里包含了星系数目随宇宙时间的演化，和不同亮度星系的数目。利用这样的公式，研究者就可以预计宇宙中所有大于某一个质量的星系有多少。

研究者们发现，如果考虑质量大于一百万太阳质量的星系，那么星系的数目实际上是越早越高的（已经去除了宇宙空间膨胀带来的效应）。这是因为宇宙早期虽然没有很亮的星系，但是却有更多比较小的星系。这些小星系在随后的宇宙演化中会相互合并，所以总的来看今天宇宙里星系的总数是比不上宇宙早期的。研究者们还可以用这个公式来计算哈勃极深场图像里所有质量大于一百万太阳质量的星系数目。计算出来的星系数密度是每平方角秒3个左右，而哈勃极深场看到的星系数密度只有每平方角秒0.4个。如果考虑到每个星系的平均直径是0.3个角秒，那么我们向任何一个方向看去，都会有百分之八十的可能性看到一个星系，夜空并不像我们直观感受的那样空虚。

奥伯斯认为夜空不应该是黑暗的。因为如果宇宙足够广大，那么向任何一个方向看去，都应该看到数目巨大的发光天体。如果宇宙是无限的，那么这些天体的光的总和应该可以完全把夜空照亮。但实际上却并非如此，这便是著名的奥伯斯佯谬。

为什么会有这样的差异？作者们并不认为这是宇宙学理论出了问题，更大的可能性是这些没有看到的星系太过暗淡，即使哈勃极深场也无法让它们全部显现。这对未来的巡天设计有重大的意义——要想全部看到这些星系，望远镜需要比现在灵敏100倍。

理论预言的星系数密度还可以帮助我们更好地理解奥伯斯佯谬。奥伯斯认为宇宙夜空是黑暗的是一件非常难以理解的事情，因为如果宇宙足够广大，那么向任何一个方向看去，都应该看到数目巨大的发光天体。如果宇宙是无限的，那么这些天体的光的总和应该可以完全把夜空照亮。解决奥伯斯佯谬的关键在于理解宇宙年龄的有限，这意味着在地球上的观测者最远能够收到的光线被宇宙的视界限制，因此即使将所有观测者可以观测到的天体光线合计也是一个有限的数值。诺丁汉大学的学者们的研究给了我们一个直观地理解奥伯斯佯谬的方案，按照他们的计算，即使将宇宙中所有可观测的星系加起来，我们在任何一个方向看到的星系数平均密度只有3个每平方角秒。而这些星系大多数都太暗了，远远无法照亮我们的夜空。

（责任编辑 冯翀）