探索宇宙中的光：了解星系的形成及演化

當我們在沒有光害的的夜晚仰望天空，除了滿天星斗之外，映入眼簾的還有一條橫跨天際的銀帶，我們稱之為銀河。自古以來，人類就對這片璀璨的星海充滿好奇。古代的觀星者將銀河視為神話中的天河，承載著無數傳說與故事。而隨著科學的進步，我們逐漸揭開了銀河的神秘面紗，發現它其實是一個龐大的星系——我們現在稱之為銀河系。這個星系包含了數千億顆恆星，其中包括我們的太陽。

星系，顧名思義，就是由眾多恆星形成的系統。星系是在廣袤宇宙中的一座座小島。物質在此聚積、反應。氣體在此形成恆星，開始發光發熱。這些能量的輸出反過來影響宇宙的演化。一個星系裡由數百萬至數千億顆恆星，大量的氣體、星際塵埃、暗物質、以及在星系中心的超大質量黑洞組成。所有這些物質都受到引力的束縛而不會四處逸散。而我們的宇宙中，有著大大小小，特性各不同的數千億個星系。

如此巨大且複雜的系統，絕非憑空瞬間蹦出來的。天文學家利用各種望遠鏡和觀測技術，以及數值模擬計算，深入探索星系的結構、組成和動態，試圖了解星系如何形成及演化，同時揭示宇宙演化的全貌。這篇文章將簡要介紹何謂星系、我們目前對星系的認識、最新的研究進展，以及未來有望拓寬我們知識邊疆的探索。

星系的組成
星系由許多不同的成分組成。在可見光波段，星系的光主要來自其內部恆星的輻射。然而，星系的組成遠不止於此。多數星系中含有大量氣體，這些氣體根據溫度不同，可以從電波波段至X光波段探測到它們的分佈。除此之外，我們現在認為所有的星系中心都有一個超大質量黑洞，這個黑洞與周圍物質的相互作用可以在所有電磁輻射波段觀測到。此外，恆星在死亡過程中會釋放出星際塵埃，這些塵埃也構成了星系的一部分。星際塵埃會吸收及散射短波長的電磁波，改變星系的光譜。通常在紅外線波段可以觀測到星際塵埃的熱輻射（圖一）。最後，星系中存在大量暗物質，其質量是一般物質的數倍，對星系的動力學和結構有著重要的影響。就如同人類一樣有高矮胖瘦、形態各異的面貌，星系也如同人類一樣，其個別組成成分交互影響，隨著時間的推移而不斷演化，經歷著從誕生到成熟再到衰老的過程。

圖一：星系Centaurus A的多波段影像。同樣一個星系，在不同的波長可以看起來非常的不一樣。下方四張圖片分別是是Ｘ光，可見光，電波，21公分譜線的影像，各自代表高溫氣體，恆星，高速帶電粒子，以及氫原子的分佈。
Credit: X-ray (NASA/CXC/M. Karovska et al.); Radio 21-cm image (NRAO/VLA/J.Van Gorkom/Schminovich et al.), Radio continuum image (NRAO/VLA/J. Condon et al.); Optical (Digitized Sky Survey U.K. Schmidt Image/STScI)

分子雲及恆星形成區域
星系中的恆星是怎麼形成的呢？恆星並不是一開始就存在於宇宙中的。初始的宇宙只有氫和氦這些基本元素。氣體隨著重力作用逐漸聚集，慢慢形成一個個密集的質量中心，這就是最早期的星系。星系中的氣體隨著時間會重力塌縮至個別的初始的高密度區域，同時，溫度也逐漸冷卻下來。較低的溫度可以形成分子氣體。這些高密度，低溫的區域，就是新的恆星形成的區域。隨著新的恆星形成，星系在可見光波段也越來越亮。個別的分子雲大小可以從數個至數百個秒差距(parsec，注一)。
新形成的恆星群的溫度高且發出高能量光子。這些光子可以將附近氣體游離。當恆星老去，表面的物質流失，產生恆星風。恆星死後產生的超新星爆炸更是將大量氣體送回星系內部，成為了供給下一代恆星形成的燃料。在許多盤狀星系中可以很清楚地看到新形成的恆星形成偏藍的旋臂結構以及分佈在旋臂附近的許多小小的發射線區域。在恆星形成的過程中，塵埃也同時形成並被釋出到星系中。在很多星系中，我們可以看到星光被前方塵埃遮擋所形成的暗帶（圖二）。

圖二：盤狀星系M74。這個星系有著漂亮的旋臂結構。年輕的恆星主要分布在藍色的旋臂上。圖上紅色的小區域就是新恆星誕生的地方。隨處可見的暗帶是星系中的星際塵埃阻擋了後方恆星的光所造成的。
Credit: NASA, ESA, and the Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration;
Acknowledgment: R. Chandar (University of Toledo) and J. Miller (University of Michigan)

星系中的超大質量黑洞
天文學家利用高解析度望遠鏡觀測了銀河中心區域的恆星運動，根據恆星的軌道和速度，計算出在銀河中心的一個極小區域內聚積了極大量的質量，遠遠超出一般天體的密度。這表明銀河的中心存在一個超大質量黑洞(Super massive blackhole)。而在2017年，人類第一次拍下了星系中心超大質量黑洞的事件視界(Even horizon)的影像。至今的研究認為，每一個質量足夠大的星系中心都有一個超大質量黑洞。物質被超大質量黑洞吸入的的同時會釋放出極大量的重力位能。這些能量一部分以高速噴流的形式注入星系內部和周圍環境，另一部分則以電磁波的形式釋出，在星系中心形成一個非常明亮且具有高能量電磁輻射的區域。這種超大質量黑洞吸積物質的活動被稱作活躍星系核(Active Galactic Nuclei, AGN)。

這些大量的能量與動量能夠對星系產生強烈的反饋效應(feedback)，從而在多個層面上影響星系的演化。現在普遍認為活躍星系核釋放的能量足以加熱星系中的氣體，抑制其冷卻和凝縮，從而減少新恆星的形成。此外，高速的AGN噴流和風能夠將氣體吹出星系，使其脫離星系的引力束縛，進一步減少可供恆星形成的物質量（圖三）。這兩種由活躍星系核產生的效應被認為是星系停止成長的關鍵因素。許多數值模擬計算顯示，如果不考慮活躍星系核的反饋效應，我們無法解釋星系中恆星形成活動為何會停止。

但是，超大質量黑洞僅佔星系的極小一部分。以銀河系為例，其半徑約為中心超大質量黑洞的10^11倍。這個比例就像是地球和一顆食鹽的對比。理解這些能量如何有效地從極小尺度的黑洞附近區域擴散到整個星系，進而改變其演化，是現今天文學中一個亟待解決的難題。這涉及在不同時間及空間尺度下的複雜物理機制的細節，以及這些機制之間的相互作用。其中涉及的物理過程我們還不甚瞭解。此外，研究還發現，超大質量黑洞和星系的質量有著極高的相關性，質量越大的星系，其中心的黑洞質量也越大。超大質量黑洞與其宿主星系這兩個在空間尺度極為不同的系統如何共同成長，也成為了星系演化中待解決的謎題。

圖三：活躍星系核產生的噴流。示意圖。
ESO/M. Kornmesser and L. Calçada, CC BY 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by/4.0>, via Wikimedia Commons

環境的影響：星系間的交互作用及星系團
如同人的成長，星系的演化並非孤立進行，而是受到其所處環境的影響。當兩個星系相互靠近時，彼此的潮汐力會擾動星系內部的物質分佈。甚至可能導致兩個星系最終互相合併，形成更大的星系。這些受到潮汐力影響的星系，往往有著不規則的物質分佈，形成奇特且引人入勝的形狀，吸引著人們的目光（圖四）。不只如此，這個過程有可能激發強烈的恆星形成活動，也可能觸發活躍星系核活動，從而改變星系的結構與演化。

圖四：Stephan’s Quintet星系群。星系間的重力可以影響彼此的型態及演化。圖中右方的兩個星系正在劇烈的交互作用，氣體及星際塵埃（紅色）被甩出星系之外。上方的星系有著長長的尾巴，那是被潮汐力甩出的恆星。另外在圖中還有一個型態相對完整的盤狀星系（左）和橢圓星系（下）。
Credit: NASA, ESA, CSA, and STScI

星系團(galaxy cluster)是宇宙中最大的穩定結構。數十甚至成千上百個星系被彼此的重力束縛，共同存在於一個巨大的暗物質暈（dark matter halo）中。星系團中的星系密度可以達到宇宙中平均值的一百倍以上。可想而知，這樣的環境中星系間的交互作用必定頻繁發生。同時，星系團內充滿了大量的高溫氣體。當星系在星系團內部高速移動時，受到的風壓會壓縮星系內的氣體，甚至將氣體從星系中剝離（圖五）。這些現象顯示出周遭環境對星系的重大影響。

圖五：圖中的星系，ESO 137-001，正以高速在星系團中移動。藍色的長尾巴是因風壓而從星系中被剝離的氣體。這種星系又被稱為水母星系(Jellyfish galaxies)，是星系團影響星系演化的直接證據。
Credit: By NASA Goddard Space Flight Center from Greenbelt, MD, USA - NASA's Hubble Finds Life is Too Fast, Too Furious for This Runaway Galaxy, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=51483184

星系族群
既然星系這麼複雜，且有這麼多不同的機制影響星系的演化，我們自然需要以族群的視角去了解星系。就像同一種生物間有個體差異，每個星系間的個體差異也可以相當大。過去數十年的研究觀測了大量的星系，揭示了星系的形狀與物理性質之間的關聯。星系根據形狀大致可以分為兩大類：盤狀星系和橢圓星系。這一分類不僅基於外觀，更揭示了它們內在的物理特性。盤狀星系(Disk galaxies)其內部的恆星分布在一個相對扁平的盤面上，多數盤狀星系也有明顯的旋臂結構。這些星系中有大量恆星正在形成，總體的恆星質量隨著時間顯著增長。盤狀星系具有明顯的旋轉運動，星系內的氣體和塵埃在旋臂中集中，形成恆星形成的繁忙區域。另一方面，橢圓星系(Elliptical galaxies)，顧名思義，其內部的恆星分佈在橢球型的結構內。這些星系已經耗盡了大部分能用來形成新恆星的氣體和塵埃，因此其恆星其成活動早已停止，平均的恆星年齡也較大。橢圓星系內部恆星的運動方向隨機，且無明顯的旋轉運動。這些物理特性與盤狀星系形成鮮明的對比。
我們現在認為，這兩種外觀相異的星系代表著星系在不同的演化階段。在物質因重力塌縮的過程中，系統的角動量使得物質無法直接落入重力中心，而是沉積在盤面上。由於盤面上的密度較高，這裡顯示出活躍的恆星形成活動。然而，隨著演化的進展，星系中的氣體逐漸被消耗殆盡。同時，演化中的反饋機制會將氣體加熱至無法再凝縮形成新恆星的溫度。在這個過程中，星系的形狀和動力學特性也會發生劇烈的變化。這些轉變通常由星系內外的因素引起，如星系合併和引力相互作用。這些事件可以重新分配星系中的物質和能量，使其結構變得更為無序，恆星的運動趨於隨機化，最終形成橢圓星系。
由於我們在觀測中很少見到介於這兩個階段之間的星系，這意味著從盤狀星系轉變為橢圓星系的過程，相較於星系的整體生命史來說，必須是一段相對快速的過程，可能在幾億年內就完成。這在宇宙的尺度上僅僅是短短一瞬。然而，我們至今仍不甚了解這段快速變化的過程中的諸多細節。雖然我們知道星系合併和活躍星系核活動在這一過程中扮演了重要角色，但具體的物理機制和條件尚未完全明確。

望向深空
但是，我們如何知道星系隨時間的演化？對於人，或其他壽命較短的生物，我們可以直接觀察及追蹤一個個體的生命史。但是對於星系這種自宇宙初始就開始演化的天體而言，人的時間尺度不過是星系的一瞬間，我們不可能監控星系隨時間的演化。但很幸運的是，光的有限傳播速度加上宇宙的廣闊，給了我們一個自然的時光機，使我們得以一窺早期宇宙的樣貌。這是因為光需要時間來傳播，因此我們觀察到的遙遠天體所發出的光，其實是它們在過去某個時刻的樣子。對於距離我們越遠的天體，這種時間延遲可以提供關鍵的歷史信息。當我們觀察遙遠的星系，我們看到的其實是早期宇宙的面貌。藉由觀察不同距離的星系。天文學家得以觀察不同的宇宙時間切片。

望向深空，我們發現早期的星系和現今的星系有著大大的不同。早期的星系通常密度較高、質量較小、但含有大量的氣體、恆星形成速率極高。早期星系中普遍存在大量的年輕、高溫的恆星。相比之下，現今宇宙中的星系已經歷了漫長的演化過程，恆星形成速率顯著降低。依照目前的推估，宇宙間的恆星形成速率約在一百億年前達到頂峰。自那之後開始急墜。現在的恆星形成速率約只剩高峰值的十分之一了。此外，不像現今的星系一般，多數可依其型態分類為盤狀或橢圓星系，早期星系的型態較為不規則及混沌。這些差異反映了星系隨著時間逐漸成長並形成穩定結構的過程。

此外，早期的星系中塵埃的密度也高出許多。這些塵埃吸收了很大一部分從恆星發出的能量，讓星系在可見光波段看起來更黯淡。這些被吸收的能量被轉換成以星際塵埃的黑體輻射的形式，在遠紅外線波段釋放。因此，許多早期的星系只能在紅外線波段被偵測到。

這些發現大致上符合我們對早期宇宙的想像：一個緻密、高溫、充滿大量氣體且快速演化的環境。當我們有更大更靈敏的望遠鏡，就代表我們可以看到更遙遠的天體，也就代表我們可以看到宇宙極為早期的樣態，看見星系生成初始的樣貌。

知識的大躍進：詹姆士韋伯太空望遠鏡
台灣時間2021年12月25日晚間8:25，詹姆士韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope, JWST)從法屬圭亞那升空。經過約半年的調整及校正，2022年7月12日，美國太空總署(NASA)公開了JWST第一批取得的影像及光譜資料。

JWST的強大紅外線觀測能力使其能夠探測遙遠宇宙中的星系和黑洞。這些天體的光線不只昏暗，而且由於宇宙膨脹而紅移到紅外波段。這使得JWST能觀測到宇宙早期，大爆炸後僅僅數億年的星系和黑洞。在過去的兩年間，最遙遠星系的紀錄每隔幾個月就會被打破一次。截至目前為止，天文學家已看到宇宙生成僅僅三億年後的星系。相較於宇宙一百三十七億年的年齡，當時的宇宙就像一個剛開始成長的兩歲小孩。

雖然發現早期星系很令人興奮，但更重要的是，韋伯太空望遠鏡所取得的高品質的光譜幫助天文學家解析早期星系的基本性質。星系的光譜就像他們的指紋，透過光譜分析，天文學家可以從裡面讀出很多訊息，例如星系的化學組成成分、成長歷史、旋轉速度等等。這些都是前所未有的新訊息，帶我們直接目擊星系成長的早期樣貌。

未來的研究方向與挑戰
每次有新的望遠鏡啟用，不只代表人類可以看到的宇宙範圍又寬廣了一些，同時也代表人類的知識邊界又向外拓展了一些。即便韋伯太空望遠鏡在下一個五到十年依舊會持續為我們帶來新的驚喜，它還是有其力有未逮的部分。為了十年，甚至二十年後的未來，目前世界上正有三個下一代的30米等級地面巨型望遠鏡正在規劃及建造。台灣加入了其中之一：巨型麥哲倫望遠鏡(Giant Magellan Telescope, GMT)計畫(圖六)。GMT的設計包括七個直徑8.4米的鏡面，組合形成24.5米的有效口徑。GMT將提供卓越的靈敏度以及4倍於韋伯太空望遠鏡的空間解析度。GMT將探測遙遠星系的內部結構和動力學，宇宙早期的恆星形成活動、超大質量黑洞增長及其對宿主星系的影響。GMT預計於2030年代前半啟用，將接續韋伯太空望遠鏡，幫助我們看得更遠，更清楚。

圖六: 巨型麥哲倫望遠鏡(Giant Magellan Telescope, GMT)示意圖。

另一方面，數個大型影像及光譜巡天觀測計畫，如Euclid太空望遠鏡、Vera Rubin天文台、Subaru 主焦點光譜儀(Prime Focus Spectrograph, PFS)，正在或即將開始取得數據。這些計畫將獲得以往十倍，甚至千百倍的數據量，期望能更全面地了解星系族群，讓我們不再以管窺天。為了處理及分析這麼龐大的數據，相應的演算法及資料科學方法需要被開發，其中包括機器學習及深度學習的應用。天文學一直都走在大數據應用的前沿。過去如此，未來亦然。

總結來說，星系演化是一個複雜的過程，涉及各種內部和外部因素的相互作用。從早期宇宙的原始氣體雲，到今天型態各異的星系，每一個階段都為我們提供了關於宇宙歷史的重要線索。隨著更多望遠鏡和技術的進步，我們期待能從宇宙中的光解開更多謎團，從而更全面地了解我們所處的這個廣袤宇宙。

注一：秒差距(parsec)為星系常用的長度單位。一秒差距約為3 x 10^16公尺。作為參照，銀河系中恆星分佈的半徑約為2萬秒差距。