[비즈한국] 最近，天文學家在詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）的觀測資料中，發現了一個存在於大爆炸後不久的早期宇宙中、擁有巨大且清晰螺旋臂的星系！這張觀測 Abell 2744 星系團方向的照片顯示，這個漩渦狀的原始星系在大爆炸後僅僅 15 億年時就已經存在了。
事實上，我們對旋轉的螺旋星系非常熟悉。我們居住的銀河系是如此，最廣為人知的仙女座星系也是螺旋星系。既然這種星系形態看起來如此普遍，為什麼天文學家會對這次的發現如此關注呢？
這是因為我們至今仍不完全清楚星系的螺旋臂是如何形成的。更令人驚訝的是，這次發現的星系 A2744-GDSp-z4 在如此早期的階段就長出了清晰的螺旋臂。天文學家原以為星系需要數十億年的時間才能形成清晰且鮮明的螺旋臂。然而，在宇宙年齡僅為現在的十分之一時，這個直徑為 3.2 萬光年（約為銀河系三分之一大小）的原始星系，就已經環繞著非常清晰的“宏偉設計（Grand Design）”螺旋臂。這暗示了星系螺旋臂形成的速度可能比我們預想的要快得多。
螺旋臂是目前所觀測到的盤星系中超過 70% 的星系所共有的、極為普遍的現象。然而，我們仍然不知道螺旋臂的確切起源和機制。這些螺旋臂究竟是如何形成的？星系絢麗的“宇宙拿鐵藝術”是如何展開的呢？
人們很早就發現了星系的螺旋臂。甚至在“星系”這個詞尚未普及的年代就是如此。20 世紀以前，人類認為宇宙就是銀河系。夜空中偶爾可見的旋轉氣體雲，被認為是包含在巨大銀河系中的小云團。1840 年，天文學家威廉·帕森斯（William Parsons）繪製了今天眾所周知的“旋渦星系”（M51）的詳細影象。當時的天文學家將這些帶有螺旋臂的氣體雲稱為“旋渦星雲”。
此後，透過哈勃的發現，人們才知道包括仙女座在內的旋渦星雲是銀河系之外獨立的宇宙。認識並探索河外星系的星系天文學復興期由此拉開序幕。哈勃根據照片中星系的形態，建立了一套將其分類為圓形橢圓星系和帶有螺旋臂的旋渦星系的體系。旋渦星雲從此被稱為旋渦星系。
長期以來，天文學家認為螺旋臂是一種固定的結構。他們認為屬於螺旋臂的恆星會一直留在螺旋臂中隨之移動。但這裡有一個問題。天文學家揚·奧爾特（Jan Oort，奧爾特雲的提出者）與同事林德布拉德（Bertil Lindblad）研究銀河系盤面恆星的運動時發現，位於銀河系中心的恆星比太陽附近的恆星旋轉速度快得多。我們的太陽和周圍的恆星繞銀河系盤面一週需要 2 億年，而銀河系中心的恆星以不到 20 年的極短週期快速旋轉。
同樣，天文學家也認為螺旋臂靠近中心和遠離中心的部分，旋轉速度應該差異極大。在這種情況下，螺旋臂內外旋轉速度完全不同，會導致它逐漸纏繞在一起。然而實際上，並沒有任何一個旋渦星系表現出螺旋臂逐漸變得緊密纏繞的現象。它們始終保持著巨大而美麗的螺旋臂形態。這就是著名的“卷繞問題（Winding problem）”。
1964 年，一個解決卷繞問題的巧妙點子被提了出來。有趣的是，在擁擠的高速公路上就能找到與星系螺旋臂中發生的情況完全一致的現象。有時在路上行駛時，會遇到特定路段車流突然擁堵的情況。這種在沒有特殊原因下持續存在的交通擁堵現象，被稱為“幽靈擁堵”。原因很簡單：假設路上的某輛車突然踩了剎車，那麼後面的車輛也會依次開始剎車。起初造成擁堵的車輛再次提速離開擁堵路段，但一旦開始的擁堵波會持續向後傳播。
由此我們可以得出一個有趣的結論：並不是同一批車輛一直被困在擁堵路段中。換句話說，擁堵路段是一種與實際道路和行駛車輛無關的“波動”，而不是路面上存在的堅硬結構。所有車輛以各自的速度行駛，暫時進入擁堵路段，然後又駛出。沒有任何汽車會永遠停留在擁堵路段中。這種現象被稱為“密度波（Density wave）”。意思是密度高的區域像波浪一樣維持著。
如果在銀河系盤面中，由於某種原因導致恆星軌道重疊並形成密度較高的密度波區域，那麼就能穩定地維持巨大的宏偉設計螺旋臂。如果這一假設正確，許多星系呈現出的清晰螺旋臂，可以看作是恆星高速公路上長達數十億年、甚至百億年的交通擁堵現場。當被困在擁堵的道路上時，這樣想的話，突然覺得自己彷彿變成了一顆正穿行在巨大螺旋臂中心的恆星。
然而，密度波理論只解釋了一旦形成的螺旋臂如何能長期保持形態，卻沒有說明它最初是如何開始的。也就是說，它解釋了為什麼一旦開始的擁堵能持續至今，但卻無法解釋究竟是誰在什麼情況下開啟了這場擁堵。
為了補充這一點，一些天文學家從銀河系盤面中不斷經歷爆炸與誕生的恆星的狂暴一生中尋找原因。這是由天文學家馬克·穆勒（Mark Mueller）和戴維·阿內特（David Arnett）於 1976 年首次提出的一個非常有趣的模型。銀河系盤面中密集分佈著氣體物質，因此恆星不斷誕生。其中大質量恆星演化更快，最終以超新星爆炸告終。此時產生的衝擊波在周圍盤面氣體中擴散，被衝擊波推動的氣體物質再次被高密度壓縮，從而導致另一批新恆星的誕生。盤面某處發生的大質量恆星超新星爆炸，相繼導致周圍盤面產生新恆星和另一場超新星爆炸。
在此過程中，新誕生的恆星和超新星自然都會在銀河系盤面上執行。因此，衝擊波逐漸以圓形環繞盤面擴散，最終在銀河系盤面全境形成了星體密度極高的螺旋狀區域。由於這是一個反覆出現恆星誕生與爆炸，從而使螺旋臂自我增長的過程，因此該模型被稱為“隨機自傳播恆星形成模型（Stochastic Self-Propagating Star Formation）”，簡稱 SSPSF 模型。
但這個模型也不夠完善。最近的高解析度模擬顯示，用 SSPSF 模型解釋的旋渦星系，大多是擁有多條纖細、不規則螺旋臂的形狀。它們很難解釋那種僅有兩三條巨大、清晰螺旋臂的“宏偉設計”旋渦星系。
那麼，能否透過觀測驗證密度波理論和 SSPSF 模型哪個正確呢？有趣的是，密度波理論提出了一個非常重要的預測。將螺旋臂解釋為恆星“擁堵路段”的密度波理論預測，隨著螺旋臂在銀河系盤面中移動，它會壓縮周圍的氣體，從而製造出新的恆星。
在此過程中，會誕生從輕質量到大質量的各類恆星。沉重的藍色恆星快速演化，在超新星爆炸中消失。而輕質量的恆星則能存活更久，並從原本誕生的密度波區域稍微偏離。因此，根據密度波理論，應該能觀測到沿螺旋臂分佈的恆星顏色（從藍色到紅色）以及年齡的漸變（梯度）。
這是一個能夠從觀測上驗證密度波理論的直觀且重要的預測！長期以來，許多觀測研究都在嘗試驗證這一理論。這也是我非常關注的研究領域之一。然而令人困惑的是，不同的研究得出了不同的結果。有些星系表現出密度波理論預測的清晰顏色分佈，但有些星系卻並非如此，甚至有些呈現出完全相反的趨勢。為了解釋這種尷尬的情況，一些天文學家甚至考慮了某些星系的螺旋臂可能在反向旋轉的假設。
事實上，由於螺旋臂中不僅有恆星和氣體雲，還有大量的塵埃，因此必須審慎考慮塵埃導致星光變暗的現象。像最近升空的詹姆斯·韋布這樣的太空望遠鏡，特別利用紅外線進行觀測，能夠穿透遮擋視線的塵埃並深入觀察。因此，我們期待透過後續的補充觀測，能更系統地驗證密度波理論。
隨著利用超級計算機進行超高解析度宇宙學模擬研究的普及，描繪星系演化的方式也發生了巨大變化。現在，天文學家不再認為任何星系是獨自孤獨演化的。所有星系都經歷過與周圍大小星系碰撞、擦肩而過等各種相互作用。
過去在計算能力不足時，研究人員會建立一個周圍沒有任何東西的獨立理想化模擬星系來再現螺旋臂。但這僅僅是一個未能反映星系間混亂互動之真實宇宙現實的理想化模擬。現在，天文學家推測，漂浮在巨大星系周圍的小型衛星星系的流入與碰撞，可能在星系盤面上激起了漣漪，而由此開始的恆星波紋持續至今，從而形成了巨大的“宏偉設計”螺旋臂。
然而，這種方式需要足夠的時間。這次發現的原始螺旋星系存在於宇宙年齡僅 15 億年的時候。考慮到一個星系形成、演化出平坦圓盤、隨後開始產生螺旋臂，並最終成長為擁有兩條清晰“宏偉設計”螺旋臂的星系，這中間必須經歷的所有過程，15 億年的時間顯得相當緊迫。
要解決這個混亂，必須確認這次發現的星系僅僅是一個幸運兒，還是說在宇宙盡頭，清晰的旋渦星系本身就非常常見。我們需要觀測更廣闊的早期宇宙地圖，並對其中有多少星系擁有螺旋臂進行大規模的統計研究。
包括已經輸出優質資料超過 3 年的詹姆斯·韋布空間望遠鏡，即將公開觀測資料的歐幾里得空間望遠鏡，以及明年進行首次觀測測試的薇拉·魯賓天文臺，每天都會湧現出數十 TB 的海量資料。透過這些資料，從大爆炸後的早期宇宙到鄰近的現代宇宙，分析旋渦星系比例的變化，以及螺旋臂大小或規模的演變，我們將能夠揭開螺旋臂真正的起源之謎。
參考
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024arXiv241204834J/abstract
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1926ApJ....64..321H/abstract
作者 Ji Woong-bae 是誰？他熱愛貓和宇宙。小時候在看了《銀河鐵道999》後，便夢想著向大眾傳播宇宙的魅力。目前在延世大學銀河演化研究中心及近宇宙論實驗室研究星系透過相互作用進行的演化，並從事講座、寫作等各種科學傳播活動。著有《썸 타는 천문대》（曖昧天文臺）、《하루 종일 우주 생각》（整天想宇宙）、《별, 빛의 과학》（星，光的科學）等書籍。