露马脚的超新星与尘埃遍布的星系
Stephen Eales
译自Sky & Telescope, Vol. 108, No. 2 (2004)
在电磁波谱中，向天文学打开的最后一扇窗口是亚毫米波段，波长从1毫米到100微米（也就是人的头发丝宽度）。纯粹是因为运气好，我对这电磁波终极前沿的展现有着独特的看法。这是因为，我是第一位使用世界上首架亚毫米波望远镜——1987年投入运行的James Clerk Maxwell望远镜（JCMT）进行观测的天文学家。
那时，这并没有作为重要的历史事件而打动我。作为一名年轻的博士后研究员，我在夏威夷呆了3年，期间疯狂地尝试使用尽可能多的望远镜，而JCMT只是Mauna Kea山顶众多的望远镜之一。而且在最初的观测中，它的指向跟踪系统极其糟糕，以致几年间我办公室的地板上堆积了星系M82的大量光谱，它们一无所用，因为我根本不知道我观测的是星系的哪一部分。（这堆光谱或许是重要的历史文献，但最终却丢失在了我某次搬迁的时候。）
然而这篇文章实际上并不是讲述亚毫米波天文学的。它讲述的是亚毫米波天文学的观测对象——也就是星际尘埃，以及这种日益受到重视的宇宙组分在解决天文学最棘手的问题之一时所发挥的作用。
James Clerk Maxwell望远镜在Mauna Kea山顶的保护建筑里观测亚毫米波天空。（图片提供：Nik Szymanek/Joint Astronomy Center）
了解宇宙尘埃
Sky & Telescope杂志的读者已经多次目睹过星际尘埃的作用了，因为尘埃造就了最美的一些天文景象。两个例子是马头星云与邻近的星系NGC 891。在这两个例子中，看起来没有恒星分布的区域（分别是马的头部和星系盘中部）都是由小小的固体微粒塑造的。这种尘埃——实际上与其说它们象通常的尘埃，倒不如说更象香烟的烟雾——遮住了后面的恒星。
不论是在我们银河系的一小部分区域中，还是在数百万光年外的其他星系里，星际介质尘埃遍布，遮住了我们看不见的恒星，并将它们发出的光再加工成红外光或亚毫米波。左图：富尘埃的马头星云正好横跨猎户座那片发光的气体云（图片提供：NOAO/AURA/NSF/STScI）； 右图：仙女座的侧向旋涡星系NGC 891中央似被一条浓密的尘埃带截断（图片提供：NOAO/AURA/NSF/WIYN）。
尽管我们现在承认了星际尘埃的存在，几百年来我们却忽视了宇宙的这种组分。别忘了，天文学家们大多数将暗星云中看上去没有恒星的区域看作是恒星真的不存在的地方。只是到了上世纪，天文学家才确知，正是不可见的物质可以使大量恒星发出的光变暗。
不过现在天文学家们有了直接观察宇宙尘埃的手段。尘埃颗粒所吸收的星光加热了颗粒本身，颗粒的典型温度达到了绝对零度以上20度（也就是20开尔文）。处于热平衡状态的物体发出的辐射波长仅取决于自身的温度。结果是，20K的颗粒主要辐射集中在亚毫米波段。
通过观测来自尘埃的亚毫米辐射，天文学家可以找出遍布太空的能量来源。例如恒星诞生，它们因发生在猎户大星云这样的富尘埃云中而对传统的光学（可见光和紫外光）望远镜来说是隐蔽不可见的。天文学家们只能利用被轻微加热的尘埃来研究新生恒星。尘埃同样将NGC 891这样的单个星系产生的能量遮蔽。但尘埃在我们了解整个宇宙这一方面重要性又如何呢？在1990年代中期，人们逐渐清楚，对此的答案是非常重要。
在传统的可见光图象，比如Steve Cannistra用数码相机拍摄的这张出色的猎户大星云照片（左，图片版权：Steve Cannistra）中，大多数新生恒星都是不可见的。但如果弥漫在这庞大的气体托儿所中的尘埃不是太浓密的话，一丛丛年轻恒星发出的红外辐射就能穿过星云，形成2MASS计划拍摄的这张近红外拼接图这样的图景（右，图片提供：2MASS/Eugene Kopan/Robert Hurt）。
尘埃遍布的宇宙
最早的线索是由NASA的一项太空计划——宇宙背景探测者卫星（COBE）提供的。COBE最出名的事是测量了宇宙微波背景辐射，而该辐射透露了大爆炸后40万年时的消息。但COBE其他科研目标中的一个是测量来自远近所有星系的亚毫米波段（其中包括被某些天文学家称为远红外的波段）的总辐射。
当我们审视早已被天文学家在整个电磁波谱上仔细测量过的夜空光谱时，我们可以看到在可见光和亚毫米波段存在着两个强峰。（宇宙背景辐射在其他任何波段上都很微弱。）利用COBE卫星测量数据得出的对后者激动人心的结果显示，自大爆炸以来，宇宙中包括恒星、星系、类星体等等的所有天体发出的可见光辐射的一半被尘埃所吸收，并以亚毫米波的形式再辐射出去。这一发现使天文学家们确信，尘埃不仅仅是美丽图景的源头，更与宇宙学的全局有着重要牵连。
椭圆星系之谜
在COBE的这一发现公布，也就是1996年时，我和我的同事们愈加深信，尘埃也许还能解释我们在研究星系历史时遇到的一个问题。
让我确定自己研究领域（星系演化）的原因可能是这样一个事实：光以高速但并非无限高的速度运动。大多数读者应该知道，我们所见组成星座的恒星展现的是它们数十年前或数百年前的样子，而非当前的样子。我和同事们利用这一事实来追溯数十亿而非数百年前的事物。而通过观测在不同距离上的星系，我们可以看出在宇宙历史过程中星系的变化情况。
最大的实际问题当然是数十亿光年外的星系非常黯淡，只是在1990年代哈勃空间望远镜和庞大的凯克望远镜投入使用后，此等宇宙考古才得以进行。这些设备使解释星系历史的工作有了重大进展，但仍有一项未完成的工作：椭圆星系。
椭圆星系包括了宇宙中最大的与最小的星系，它们与旋涡或不规则星系不同的是，其所有成员星都是年老的。邻近椭圆星系中的恒星通常有100亿岁，这意味着它们必须在大爆炸后一段相对较短的时间内形成（大爆炸本身发生在大约140亿年前）。在短时间内有大量恒星快速形成的天体应该是非常明亮的，几十年来天文学家们也期待着当他们观测更遥远的太空（因而回溯到更久的时候）时能找到这些新生的椭圆星系。
椭圆星系（如上图所示的M87）充满了谜，因为它们几乎所有的恒星年龄都超过100亿年或更多。大爆炸后不久这些恒星一定因为大量地产生而显得非常明亮。目前没有发现仍有恒星诞生活动的椭圆星系，哪怕是在哈勃空间望远镜拍摄的宇宙最深处。（图片提供：David Malin/Copyright 1987 - 2002 Anglo-Australian Observatory）
然而直到1990年代中期，人们仍旧没有这些天体的消息，甚至在哈勃深场在这幅在可见光波段拍摄过的最遥远的图象上。一个可能的解释是，失败是因为这类天体被尘埃遮挡造成的。检验这一观点显而易见的方法是获取天空的亚毫米波图象，并寻找在哈勃深场这类可见光图象上没有对应体的辐射源。
SCUBA登场
幸运的是，世界上首部亚毫米波照相机SCUBA（Submillimeter Common User Bolometer Array）恰好在这个时候被安装到了JCMT上，这第一次使得拍摄天空中某一特定区域的亚毫米波图象成为了可能。在过去的7年间，SCUBA作出了许多发现，但我只想谈一谈其中的两个。其中之一是关于数十亿年前的天体的；另一个则与近至325年前发生的某事相关。令人惊讶的是，它们之间有着紧密的联系，并可以一道解决椭圆星系提出的难题。
第一个发现可以用两张照片说明。一是空间天文台1996年拍摄的哈勃深场，二是后来供职于爱丁堡皇家天文台的David H. Hughes及同事利用SCUBA在亚毫米波段拍下的同一天区图象。哈勃拍摄的照片上有大约1000个星系；SCUBA的图象上只显现出5个独立的亚毫米波辐射源。这一根本性的差异表明，尽管宇宙的背景辐射在可见光和亚毫米波段有着同样的强度，后者却由更为稀有的天体产生。
利用坐落在Mauna Kea山上的“射电天碟”James Clerk Maxwell望远镜拍摄的大熊座直径200角分的哈勃深场假彩色图象（左，图片提供：Joint Astronomy Center）与哈勃空间望远镜1996年拍摄的同一天区可见光图象的辉煌与星系密布（右，图片提供：NASA/STScI/HDF Team）几乎没有共同之处。但前者揭示了哈勃所不能看到的：来自可能被宇宙最早的恒星加热过的尘埃，且已被红移的远红外辐射。
这些稀有的天体是什么？在过去的几年间，我和其他许多天文学家花费了大量时间以图回答这个问题。亚毫米波辐射源于尘埃，但不幸的是，对许多其他观测手段来说，尘埃是个问题。在可见光图象中，亚毫米波辐射源的位置上通常只有一个极端昏暗的天体。这意味着通常的标准红移、光谱测量很难进行。仅仅在最近几年中，加州理工学院的Scott Chapman及其同事才使用凯克望远镜测定了10个SCUBA源的红移。这些红移数值介于1-4之间，这意味着当我们观测这些天体时，我们向前回溯了80-120亿年。
尘埃同样遮蔽了这些天体了终极能量来源。高红移值意味着这些天体比当前的正常星系要亮得多。它们是否只是被尘埃遮挡的类星体呢？这大概是不可能的。类星体的终极能源来自围绕大质量黑洞螺旋下落的气体，而这一过程会释放大量X射线。但钱德拉X射线天文台及XMM-Newton这样的望远镜都没有从SCUBA源那里探测到强X射线辐射。
相反，现在似已清楚的是，尘埃遮蔽了大量新生恒星；在一个典型SCUBA星系中，每年有1000个太阳质量的气体转化成了恒星。在一个拥有数千亿个星系，而每个星系拥有数千亿颗恒星的宇宙中，这也许算不了什么。但每年1000个太阳质量的恒星诞生率意味着只需1亿年的时间就可以形成我们这样的星系中的所有恒星。而这段时间对于拥有140亿年历史的宇宙来说不过是一眨眼的工夫。
早期宇宙中恒星诞生异常激烈且被尘埃环绕着的天体正有着椭圆星系祖先预期应有的性质。现在看来，很难说椭圆星系不是起源于一个富含气体、尘埃和年轻恒星的天体；而最终更多的恒星诞生消耗或驱散了气体和尘埃，大约100亿年之后，只剩下一个如今所见椭圆星系那样的天体。
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