及时章 星系与宇宙学

及时节 在天文学中的地位、发展规律和研究特点

一、星系宇宙学在天文学中的地位

星系是由数百万至数千亿颗恒星、气体、尘埃、中心大质量黑洞和暗物质构成的天体系统， 空间尺度达数千至数十万光年， 分布于百亿光年空间中的数以百亿计的星系以及星系际物质构成了目前可观测的宇宙。

星系天体物理和宇宙学以各种天文观测方法获取的信息为基础， 利用现代物理学提供的理论工具， 以及天文学其他分支特别是恒星物理的成果， 研究各类星系和星系集团的空间分布、形态结构、物理性质、化学组成， 研究星系核的活动特征和产能机制， 大质量黑洞的分布、形成和演化， 研究宇宙中其他物质成分(如暗能量、暗物质、微波背景辐射、星系际介质等) 的空间分布和本质， 并进而研究星系以至整个可观测宇宙的起源和演化历史， 探索支配宇宙和星系起源和演化的物理规律。

星系宇宙学涉及的空间和时间尺度分别从普朗克尺度和普朗克时间到百亿光年和百亿年， 跨度均达60 个量级； 能量尺度从微波背景到普朗克能量，跨度亦超过30 个量级。这样巨大的时空和能量跨度不仅远远超出了地球上实验室的范围， 甚至远远超出了天体物理其他学科领域(如太阳系和银河系)所涉及的范围， 从而使该领域的研究处于天文学的前沿。对暗物质和暗能量、大爆炸元素核合成、宇宙微波背景、宇宙大尺度结构、星系及大质量黑洞等的观测和理论研究， 大大丰富了对宇观尺度上和极端条件下物理规律的认识，同时也对现有的物理理论提出了挑战。黑洞和活动星系核的研究为检验强引力场中的广义相对论和其他物理理论提供了地面无法实现的极端物理条件(超强引力场、超高温等) 的实验室。

作为活动星系核中能量最为巨大的一类， 类星体最早在宇宙现今年龄的百分之几的早期就已经形成。这些遥远而明亮的"宇宙灯塔" 一直被作为宇宙学探针， 用来研究宇宙中的成团及弥散的物质分布、成分和金属丰度等，甚至用来限制宇宙学模型和参数。活动星系核中心的大质量黑洞通过吸积与并合不断增长， 并通过辐射、物质和能量注入等方式来反作用于星系， 从而影响和制约星系的形成与生长。黑洞周围存在着奇特的物理状态和过程， 有些涉及其他的天体物理学领域。例如， 黑洞的产生和黑洞之间的并合会产生引力波辐射，这为引力波的探测和研究提供了天然辐射源。活动星系核产生的相对论性喷流同样存在于其他天体中(如γ 射线暴) 。活动星系核是研究喷流的产生和加速、从黑洞提取能量以及高能粒子加速的物理机制的实验室。喷流中的高能粒子及其辐射的研究与粒子加速过程、宇宙线的探测和研究等学科相关。

从研究人员、科学论文， 特别是关键科学问题和重大成果几方面的统计可以看出， 近20 年来星系和宇宙学研究有了明显发展， 已在整个天文学中占有主导地位。

二、星系宇宙学的发展规律和研究特点

星系宇宙学的发展可以归纳为"观测和理论研究共同驱动" 。20 世纪初，哈勃在M31 中证认出造父变星， 由其视亮度和造父变星的周光关系归算出到M31 的距离， 证实了其为河外星系。哈勃又利用24 个星系的数据得到了星系退行的哈勃定律， 揭示了宇宙膨胀的规律； 哈勃膨胀规律在现代宇宙学模型(即广义相对论和宇宙学原理) 得到圆满的解释， 标志着现代宇宙学的开端。20 世纪六七十年代， 宇宙微波背景辐射的发现和宇宙大爆炸核合成理论成功解释宇宙的轻元素丰度， 则把大爆炸宇宙学的地位提升到了现代天文学的主流领域之一； 同时氦元素丰度的测量限定了中微子的代数目小于4 ， 好于当时粒子物理的实验数据结果。其后暴胀宇宙学模型的提出， 解决了经典大爆炸宇宙模型的平直性和超视界扰动的问题。20 世纪80 年代， 星系红移巡天和大型星系成像源表的出现， 成为检验宇宙大尺度结构形成与演化理论的最重要的观测统计数据之一； 研究结果确立了宇宙中物质是由暗物质主导的， 并且冷暗物质主导的结构形成模型成为解释观测数据的主流模型。1991年COBE 卫星首次测量到的宇宙微波背景各向异性， 成为支持暗物质主导的宇宙暴胀理论的有力观测证据。1998 年通过Ia 型超新星的测量发现了宇宙加速膨胀， 以及后来的宇宙微波背景、宇宙大尺度结构和更多Ia 型超新星的观测数据对上述发现的证实， 更是把暗能量问题推到了科学研究的最前沿。

星系形成的研究也从单一星系系统的经验性研究转入冷暗物质主导的结构形成模型中统一研究， 而星系经验性研究的重要成果如星系的化学演化模型、星族合成模型、星系尘埃模型等被有效地移植到冷暗物质主导的星系形成理论， 使得星系形成成为宇宙结构形成理论的组成部分， 并且能够将不同环境和不同宇宙年代的星系性质联系在一起。20 世纪末， 哈勃空间望远镜的深场观测、Keck 等10 米级光学望远镜和斯必泽(Spitzer) 空间红外望远镜的使用， 将星系演化的研究追溯到宇宙年龄仅为当前年龄1 /10 的宇宙早期；而以斯隆数字巡天(Sloan digital sky survey ， SDSS) 为代表的广角的大型红移巡天描绘了星系性质与宇宙环境之间的对应关系， 这些都成为检验星系理论的重要观测结果； 而星系形成理论则是理解不同环境和不同时期星系性质的理论工具。

早在20 世纪40 年代， 一类具有核区强发射线辐射的特殊星系(塞弗特星系) 就已经被注意到； 但直到20 世纪60 年代， 随着类星体的发现， 人们才开始逐渐认识到这些星系的核区存在剧烈的非恒星活动， 即活动星系核。

其典型的特征为从射电到γ 射线波段能量巨大的电磁波辐射， 部分天体中还存在准直的、具有相对论性速度的粒子喷流。自20 世纪60 年代类星体的发现到70 年代之间， 对活动星系核产能机制的理论探索促进了黑洞吸积理论的建立和发展。天体物理学黑洞是指具有极端质量密度的天体， 其超强的引力场使得进入其边界的任何物质(甚至光) 都无法逃离。存在于星系中心的大质量甚至超大质量黑洞(十万至几十亿倍太阳质量) 在吸积周围物质的过程中将其引力势能转化为热能及其他形式的能量并通过电磁辐射和物质外流的形式释放出来。随后的大量观测事实给出了大质量黑洞存在的间接证据， 并基本确立了黑洞吸积的标准模型地位。活动星系核在观测上呈现出丰富的多样性， 对这些性质的研究也促进了活动星系核统一模型的建立和发展。近20年以来的高灵敏度的多波段巡天(主要在射电、光学、X 射线等波段) 已发现了数以十万计的活动星系核。

经过几十年的努力， 人们已经找到了大质量黑洞存在于我们银河系以及几十个临近星系中心的证据， 并发现了黑洞与星系核球的质量之间存在密切关系。在此基础上人们推测， 在几乎每一个大星系中心可能都存在一个(超) 大质量黑洞， 并且与星系在形成和演化上可能存在着某种关联。产生这种关联的很可能的途径是黑洞通过向星系反馈吸积所产生的能量和物质(辐射、喷流、外流等) 抑制了星系中气体的进一步冷却， 从而起到制约星系演化的作用。当今的研究趋势是将大质量黑洞和星系的活动纳入到冷暗物质主导的星系形成理论框架中去研究， 探索它们的共同形成和演化。

对遥远或暗弱天体的探测要求大的望远镜聚光面积以及灵敏的探测器。对于星系和活动星系核， 高分辨成像观测可以获得其形态和结构的直观信息。星系和活动星系核在红外、光学、紫外和X 射线可以产生非常丰富的吸收线和发射线， 对这些谱线高信噪比的精细观测同样需要大的望远镜聚光面积和高的探测器光谱分辨率； 而大面积的巡天观测要求建造视场更大、灵敏度更高的望远镜和探测器。从学科的发展历史来看， 任何一个波段观测技术手段的进步， 包括新的观测波段的开辟， 灵敏度、空间和光谱分辨率、视场和巡天效率的提高， 都会带来对星系、宇宙学和活动星系核研究的促进甚至飞跃；另一方面， 星系宇宙学研究的需求又促进了望远镜技术和探测技术的发展。

对多波段观测的需求和天文大型设备走国际化道路的大趋势， 使得该领域成为合作性、国际性很强的一个天文研究领域。

第二节 国际研究现状和发展趋势

一、概况

根据国际天文联合会1979 年第17 次大会的统计， 4538 名会员中参加星系和宇宙学两组的共425 人， 占总人数的9.4% 。到1988 年第20 次大会时，两组合计850 人， 占12.8% 。2006 年第26 次大会时增至1396 人， 占会员总数9258 的15.1% 。

据《天文学和天体物理学文摘》的统计， 1980 年全世界发表的有关星系和宇宙学论文共1229 篇， 占总数7.6% ， 1990 年达3565 篇， 占总数的16.3% 。1997 年共5183 篇， 占总数的22.9% 。2004 年估计7000 篇左右， 占总数的25% 左右。

美国国家研究院组织的天文学和天体物理学调研委员会在《新千年的天文学与天体物理学》学科发展报告里， 列出了5 个有望在21 世纪初及时个10 年取得进展的关键科学问题， 前3 个都属于星系宇宙学领域。

在美国《科学》杂志1997 年以来评出的80 项突破性科学成果中， 有18项属于天文学领域， 其中7 项属于星系、宇宙学领域， 特别是1998 年的宇宙加速膨胀的发现、2003 年暗宇宙的观测更被列为当年科学突破之首。

由以上研究人员、科学论文， 特别是关键科学问题和重大成果几方面的统计不难看出， 近20 年来星系和宇宙学研究有了明显发展， 已在整个天文学中占有主导地位。

二、近几年取得重要成就的主要领域

(一) 宇宙加速膨胀和暗能量的发现、宇宙早期的声波和宇宙学参量的测定

通过对高红移超新星的视星等红移关系的测量， 发现宇宙在加速膨胀， 这是宇宙中存在负压强的暗能量的直接证据。以Boomrang 、Maxima 和WMAP 为代表的宇宙微波各向异性探测设备， 测定了角度大于0.2 度的微波背景的角功率谱， 从而测定了宇宙复合时期的重子声波性质以及宇宙模型的主要参量， 使得宇宙学研究进入到了宇宙学时代。CBI 和WMAP 探测到了微波背景的偏振信号， 其结果支持宇宙早期扰动是绝热的论点。SDSS 利用亮红星系的红移巡天样本， 测量到复合时期遗留下来的星系分布中的重子声波振荡， 其结果一方面支持宇宙大爆炸模型， 一方面成为测定宇宙学模型测量的重要物理量； 利用赖曼阿尔法吸收森林测量早至宇宙10% 年龄处的暗物质的成团性， 成为测量宇宙学参量和宇宙结构早期演化的重要观测手段。

(二) 宇宙再电离过程

SDSS 观测了高红移类星体的光谱， 发现红移大于6.5 处的类星体的赖曼吸收明显增强， 表明宇宙最近一次再电离发生在红移6.5 至7 处；WMAP从微波背景光子的偏振观测， 推断宇宙最早一次的再电离发生在红移为12处。因此， 宇宙的再电离可能发生了多次。WMAP 的结果若被证实， 将对早期宇宙物理和及时代天体形成的研究产生重要的影响。随着PLANCK 卫星的成功发射和低频微波天线阵(LOFAR 、21CM 、MWA 以及将来的SKA)的建造， 观测研究正在逐步揭开宇宙再电离过程和及时光天体形成的奥秘。

(三) 星系中心黑洞存在的证据和普遍性、黑洞与星系的共同演化

近年来多波段高空间分辨的观测(尤其是恒星的运动) 显示， 在我们银河系中心极有可能存在一个大质量黑洞(约400 万太阳质量) 。哈勃空间望远镜和其他一些高分辨设备的观测表明， 临近宇宙中的正常星系中心普遍存在一个大质量黑洞。进一步的观测研究发现， 黑洞质量与星系核球的引力势阱或核球质量存在紧密的相关关系。这一令人惊奇的关系意味着大质量黑洞在星系中心是普遍存在的， 并且它的形成和演化与星系的形成演化有着某种密切的相互作用或制约关系。另一方面， 人们也开始认识到星系核的活动性是相当普遍的， 只是大部分星系的活动性都非常低。近年来在矮星系中心也发现了存在着质量小于百万太阳质量的黑洞， 使得人们一直在试图寻找的恒星级黑洞和超大质量黑洞之间的空缺范围在一定程度上得以缩短。黑洞通过反馈由吸积所产生的能量(辐射、喷流、外流等) 抑制了星系中气体的冷却，进而影响星系的形成和演化。Chandra 和XMM?Newton 卫星的X 射线观测，表明星系团和星系群的中央的气体被某种能源加热， 而中心星系的黑洞的反馈是一种可能的解释。

(四) 引力透镜巡天

2000 年弱引力透镜剪切相关函数的成功测量， 标志着弱引力透镜观测进入到了一个新的阶段， 能而无偏袒地测量宇宙的物质空间分布， 将成为探测暗能量的物理本质和研究宇宙学的重要手段。Bullet 星系团的引力透镜测量表明暗物质的分布与星系数密度的分布一致， 而与热气体的分布存在差异， 支持冷暗物质主导的模型； 从COSMOS 数据成功构造宇宙的3 维引力势分布； CFHTLS 的弱引力透镜剪切相关函数的测量为当前最的测量， 其测量结果与WMAP 的宇宙学测量测量结果一致。

(五) 宇宙的恒星、星系、黑洞的形成和演化历史

随着Hubble 深场、Chandra 深场、Subaru 多色深场、COSMOS 巡天等深度星系巡天的开展， 在高红移星系的光度函数、恒星质量、恒星形成率、空间分布的测量方面取得了重要的进展， 较好地测量了宇宙恒星形成的历史，发现大质量星系早形成、小质量星系晚形成的downsizing 演化规律。即使大质量星系在形成后的演化， 也不是简单的被动演化， 它们的尺度随时间有明显的增长。高红移类星体的观测也说明， 黑洞也存在downsizing 演化规律，特别是质量近10 亿太阳质量的黑洞在宇宙早期百分之几年龄的时期就已经形成， 高红移类星体的光谱与近邻类星体的光谱非常相似。这些高红移的星系和类星体的观测为研究宇宙早期星系和黑洞的形成提供重要的线索， 同时也