​圖：這位藝術家對由較小原星系合併形成的早期大規模星系的印象表明，在恆星形成的最快速階段應如何用塵埃遮蓋它。 第一次，一組天文學家可能發現了我們看到的最早的和後來的更大品質的星系之間的缺失連結。

科學家面臨的最大挑戰之一是，每次你取得新的進展，它只會提出更多的問題。當我們今天觀察我們的宇宙時，我們看到了各種不同性質的星系。我們看到巨大的橢圓星系在數十億年內還沒有形成恆星；我們看到類銀河系中富含豐富元素的螺旋狀星系；我們看到不規則的星系；我們看到矮星系；我們看到超遙遠的星系，它們似乎只是在第一次或第二次形成恆星。

但是當你把這一切放在一起的時候，會有一些謎題。一些星系已經發展得如此之大，以致於它們早就違背了一個連貫的解釋。由於只有小而低品質的星系被哈勃望遠鏡所發現，大星系的活躍形成，一直是天文學中缺失的一環。隨著一個黑暗的，巨大星系的新發現，天文學家可能剛剛破解了這個謎，並解決了一個長期的宇宙難題。

圖：與現今銀河系相當的星系多如牛毛，但銀河系中較年輕的星系一般比我們今天看到的星系更小，更藍，更混亂，更豐富的氣體。對於所有的第一個星系來說，應該將其推向極致，並且在我們之前看到的是有效的。早期的原始星系和天文學家們努力解釋的第一大星系之間存在著難以解釋的鴻溝。

要了解星系在我們的宇宙中是如何形成和成長的，最好是從一開始就開始。宇宙學家已經收集了一幅全面而連貫的宇宙圖景，如果我們追蹤宇宙是如何進化和成長的，如果我們從其不起眼的起點到今天所居住的宇宙的演變和成長追溯一下宇宙，我們應該能夠想出一個故事，告訴我們應該看到什麼。

宇宙，在大爆炸之後（後通貨膨脹），帶著我們已經種植的現代星系的種子來到現場。我們的宇宙是熱的、緻密的、膨脹的，充滿了物質、反物質、暗物質和輻射。它誕生時幾乎完全均勻，但有微小的密度缺陷。在所有尺度上，密度最大的區域只比平均值高出十萬分之幾，但這就是宇宙所需要的全部。

圖：宇宙中最大規模的觀測，從宇宙微波背景到宇宙網路到星系團到單個星系，都需要暗物質來解釋我們觀察到的東西。大尺度結構需要它，宇宙微波背景下的這種結構的種子也需要它。

隨著宇宙的膨脹和冷卻，那些物質稍多的區域（正常和黑暗的結合）將從周圍區域開始優先吸引越來越多的物質向它靠近。隨著時間的推移，輻射變得不那麼重要了，這些物質的缺陷會隨著密度的不斷增加而以更快的速度增長。

儘管宇宙中的第一個區域需要大約5到1億年的時間才能變得足夠緻密，形成恆星，但這只是故事的開始。這些第一顆恆星一旦開始運轉，就預示著高能紫外線光子的到來，它們開始在宇宙中流動。隨著時間的推移，隨著恆星在越來越多的位置形成，整個空間中的中性原子開始重新電離，因為宇宙對可見光慢慢變得透明。

圖：在已知宇宙中發現的最遙遠的星系gn-z11，其光線來自134億年前：當時宇宙只有3%的年齡：4.07億年前。但那裡還有更遙遠的星系，我們希望傑姆斯韋伯太空望遠鏡能發現它們。

在大爆炸之後的大約200到250萬年，第一個星系開始形成，隨著恆星形成區域的聚集和合並，增加了再電離速率。我們所發現的最早的星系（以今天的儀器限值）出現在大爆炸的4億年之後，所有最早的星系都以驚人的速度積極形成恆星，但品質不超過我們現代銀河系品質的1%。

在5.5億年之後，宇宙最終完全重新電離，光可以自由傳播而不被吸收。然而，在一段時間內，我們仍然只看到這些明亮但品質低的星系，直到大爆炸後大約10億年，那時巨大的星系甚至比我們的銀河系還要大。這裡最大的難題是這兩個種群之間缺少聯絡。

理論上，這些宇宙結構的形成方式是通過引力增長和合並。單個原星系應該吸引來自空間周圍區域的物質，而不同的原星系應該相互吸引。隨著時間的流逝，各種星系的引力影響開始影響越來越大的尺度，導致星系通過相互吞食和合並而生長。

但如果是這樣的話，我們就不會只看到小的、早期的原始星系和大型的、成熟的、合併後的星系。我們期望看到在恆星形成活躍的生長階段，原始星系正在融合在一起的中間階段。但是，我們所看到的所有早期星系都未能以足夠快的速度形成恆星，無法解釋這些成熟的星系。

圖：遙遠的星系MACS1149-JD1被前景星系團引力透鏡化，即使沒有下一代技術，也能在多個儀器中以高解析度成像。這個星系的光來自大爆炸後5.3億年，但其中的恆星至少有2.8億年的歷史。我們如何從像這樣的微小星系發展到幾億年後才看到的龐大星系，這是星系進化的一個謎。

標準的預期是，在這些低品質、早期型別的原星系和我們看到的重、大規模、成熟的星系之間，一定有某種未被發現的星系型別。對於那些難以捉摸的星系來說，沒有出現在發現其他兩種星系的相同調查中，這意味著一定有什麼東西遮蔽了我們期望到達的光。

對於正在以最大速率活躍地形成新恆星的最遙遠的星系，我們希望它們發出的光將在紫外線波長達到峰值，就像它們在所有大型恆星形成區域所做的一樣，在這些區域中，光主要由比太陽大恆星控制 。在穿過膨脹的宇宙後，該光應從紫外紅移到光譜的可見部分，一直到紅外弦。 然而，我們最深入的紅外觀測僅顯示早期和晚期星系，而不顯示中間星系。

圖：在我們自己的銀河系中發現了一個年輕的恆星形成區域。 請注意，恆星周圍的物質如何被電離，並且隨著時間的流逝，所有形式的光都變得透明。 但是，在此之前，周圍的氣體會吸收輻射，併發出各種波長的光。 在早期的宇宙中，要使宇宙完全對光透明要花費數億年的時間，而新合併的星系可能需要很長的時間尺度才能電離所有晦暗的氣體和塵埃，同時該星系正在成長並形成恆星。

為什麼會這樣呢？ 最簡單的解釋是，是否有某種東西以某種方式阻擋了光線。 當宇宙正在形成這些非常龐大的星系的過程中，它已經被離子化了，因此我們不能責怪星際介質吸收光。但一個合理的罪魁禍首是屬於原星系的氣體和塵埃，它們合併形成我們最終看到的晚期星系。

只要有恆星形成區域，即使該區域涵蓋了整個星系，這些恆星也只能在中性氣體雲塌陷的地方形成。 但是中性氣體正是我們期望通過吸收紫外線和可見光，然後根據氣體溫度而以更長的波長重新輻射來阻止紫外線和可見光的氣體。該光應在紅外線中輻射，並應紅移至微波甚至無線電波段。

圖：光可能以特定的波長髮射，但宇宙的膨脹會使它在行進中拉伸。當考慮到一個光來自134億年前的星系時，紫外發射的光將一直移向紅外；在121.5奈米處的萊曼-阿爾法躍遷成為哈勃儀器極限下的紅外輻射。但是，通常在紅外波段發射的熱氣體，在到達我們眼睛時，會被紅移到光譜的無線電部分。

因此，與其尋找紅移的星光，不如尋找暖塵的特徵，這些暖塵會因宇宙膨脹而紅移。你不會使用像哈勃那樣的光學/近紅外天文臺，而是使用毫米/亞毫米射電望遠鏡陣列。

好吧，功能最強大的陣列是阿塔卡馬（Atacama）大毫米/亞毫米陣列，它包含66個射電望遠鏡的集合，這些望遠鏡的設計目的是在那個關鍵的波長範圍內實現高角度解析度和對細節的前所未有的靈敏度。 如果您能找到以這些波長出現的微弱而遙遠的光源，而沒有其他波長，你就會發現星系形成中正是這種"缺失的環節"的候選者。純粹是靠運氣，天文學家團隊首次在他們的觀測領域中發現了這種"缺失的環節"。

圖：阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）是地球上最強大的射電望遠鏡。 這些望遠鏡可以測量原子，分子和離子的長波訊號，而哈勃等較短波長的望遠鏡無法訪問這些原子，分子和離子，但也可以測量原行星系和微弱的早期星系的細節，這些細節可能被更熟悉的光波所遮蓋。

他們通過觀察COSMOS場的星系來取得這一發現，這是一組深場觀測，包括哈勃和ALMA在內的許多不同的天文臺都採集了大量的資料。研究小組發現了兩個訊號，它們對應於充滿暖塵埃的星系，因此，恆星形成量很快。其中一個對應於一個普通晚期星系，但另一個對應的是根本不已知的星系。

當這個新的星系候選的所有觀測結果被合併時，研究它的天文學家確定它是：

非常巨大，有將近1000億個太陽品質的恆星，甚至更多的是中性氣體，每年有300個新太陽品質的恆星形成（是我們在銀河系發現的數百倍）。極為模糊，彷彿被遮光的塵埃所籠罩，離我們非常遙遠，在大爆炸後13億年，它的光芒就照向我們。圖：回顧哈勃超深場的宇宙時間，ALMA追蹤到一氧化碳氣體的存在。這使得天文學家能夠建立宇宙恆星形成潛力的三維影象。富含氣體的星系以橙色顯示。根據這張影象，你可以清楚地看到ALMA如何能夠發現哈勃無法觀測到的星系特徵，以及ALMA如何能夠看到哈勃望遠鏡可能完全不可見的星系。

這項研究的作者們非常激動地表示，這個星系在一個只有8平方弧的調查區域中出現（它將需要1800萬個這樣的區域來覆蓋天空）——可能是解釋宇宙如何生長的“缺失鏈路”星系的原型。根據研究作者凱特·惠特克的說法，

“這些隱藏的星系確實令人著迷，它讓你懷疑這是否只是冰山一角，一種全新的星系群正等待著被發現。”

雖然其他大型星系，包括恆星形成的星系，以前已經被發現，但沒有一個星系有足夠的恆星形成率來解釋宇宙的星系是如何成長得如此之快。但是這個星系改變了這一切，根據第一作者克里斯蒂娜·威廉姆斯，他指出，

“我們隱藏的怪物星系恰好具有成為該缺失環節的正確成分，因為它們可能更常見。”

圖：哈勃望遠鏡等光學望遠鏡在揭示光學光方面非常出色，但宇宙的膨脹使哈勃望遠鏡視野中遙遠星系的大部分光線變紅。紅外和長波長的天文臺，如ALMA，可以拾起那些紅移的遙遠天體，這些天體是哈勃無法看到。在未來，詹姆斯·韋伯和ALMA，結合在一起，可能會揭示這些遙遠的星系的我們今天甚至無法理解細節。

到目前為止，科學家一直在等待詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（人類的下一代天基紅外天文臺）在擋光的灰塵中窺視，並解開宇宙演化成長的奧祕。 雖然韋伯肯定會教給我們更多有關這些早期的，正在成長的星系的資訊，並揭示尚未發現的細節，但我們已經了解到，這些被遮蓋的怪物確實存在，並且可能是銀河系成長和發展中缺失的環節。

要麼我們非常幸運地在如此小的空間區域發現了一種非常罕見的星系，要麼這個新的發現表明這些龐然大物確實無處不在。現在，這項新發現應該讓我們所有人都希望ALMA將繼續發現更多的這些星系，而且當詹姆斯·韋伯（James Webb）上線時，新的宇宙難題可能會等著它去發現並揭祕。