[비즈한국] 蘋果。改變人類歷史的蘋果共出現了四次。第一次是亞當和夏娃的禁果，通常以蘋果為象徵。第二次是塞尚靜物畫中的蘋果。第三次是史蒂夫·喬布斯的蘋果。第四次則是掉在艾薩克·牛頓頭上的那個蘋果。
通常我們認為，牛頓僅僅是透過觀察掉在頭上的蘋果，發現了吸引蘋果的地心引力。但事實並非如此。牛頓所代表的科學革命，其真正的意義在於別處。牛頓領悟到，吸引蘋果的地心引力與將月球留在天上的地球引力，在本質上是完全相同的。這是一個巨大的飛躍。
在那之前，對人類而言物理學有兩種。一種是針對地上的物理學，另一種是針對天上的物理學。人們認為地界和天界從構成物質到運作原理都是截然不同的世界。然而，牛頓證明了這兩個分裂的世界實際上遵循著同一個原理在執行。為了理解地上和天上，人們不再需要兩本物理課本了。僅憑一種統一的物理學，就能同時解釋大地與宇宙。將原本區分開的兩個世界合二為一，展示了大地與天空都受到相同物理定律的支配，這才是牛頓科學革命真正的價值所在。
現在，我們變得更加大膽了。我們堅信在地球上體驗並掌握的引力，在數千萬甚至數億光年外的星系中也同樣適用。這一信念已經得到了證實。引力不僅作用於掛在樹上的蘋果和天上的月亮，甚至在5700萬光年外的星系中，也展現出了永恆不變的規律。
看看最近由哈勃空間望遠鏡捕捉到的星系 LEDA 1313424。它非常特別。它不僅僅是兩三個旋臂纏繞的程度，從內到外呈現出多個同心圓環，看起來就像一個巨大的射箭靶子。因此，天文學家將這個星系命名為“靶心星系（Bullseye galaxy）”。
這個星系此前也曾被其他望遠鏡捕捉到，但人們從未想到它竟有如此獨特的樣貌。最初確認該星系形態的資料來自斯隆數字巡天（SDSS），該專案利用2.5米口徑的望遠鏡繪製全天圖。在SDSS的照片中，靶心星系看起來非常模糊，僅能勉強辨認出兩圈環狀結構。事實上，僅憑此樣貌很難預料它隱藏著如此驚人的形態。因為在外圍帶有一兩個環的星系並不罕見。
通常觀測到的環狀星系中心都有明顯的棒狀結構。棒狀結構是由於星系中心恆星的軌道在拉伸變形的過程中產生共振並重疊而形成的。這種星系棒會將外圍的氣體物質吸引到星系中心。在此過程中，氣體在棒狀結構邊緣被高密度壓縮，從而誕生新的恆星。與此同時，棒狀結構也隨星系本身旋轉，新誕生的恆星會沿著棒狀結構的邊緣呈圓環狀分佈。正如所知，棒狀結構是形成並維持環狀形態的主要機制。但這隻能解釋那些內外僅有兩個環的星系。
天文學家分析了比SDSS解析度更高的“遺產巡天（Legacy Survey）”資料。該巡天專案利用位於智利塞羅託洛洛美洲天文臺的4米口徑布蘭科望遠鏡進行觀測。得益於此，他們確認了環繞在靶心星系周圍的環多達四個。但這還沒完。透過進一步強化觀測影象的對比度並進行細緻分析，最終確認了多達七個環。這是在此前任何環狀星系中都從未見過的驚人數量。從那時起，靶心星系就不再是一個普通的星系了。
為了揭開這個星系的秘密，天文學家再次將哈勃空間望遠鏡對準了靶心星系。由於哈勃空間望遠鏡不受地球大氣層的干擾，因此能捕捉到更清晰、更暗淡的環。令人驚訝的是，從哈勃拍攝的照片中至少可以看到8個環！究竟如何才能存在如此複雜且華麗的星系呢？
就像兒時牛頓頭上掉下的蘋果一樣，10億年前，有什麼東西撞向了這個星系。最初，這個星系並沒有像現在這樣複雜的環，它只是一個普通的星系。然而，10億年前，另一個小星系幾乎貫穿了它的中心。兩個星系發生了正面碰撞。這就像往池塘裡扔進一個蘋果，漣漪向四面八方擴散開來。這次發現更令人驚奇的是，透過兩個星系的正面碰撞來解釋靶心星系，並不止於基於想象的假設，而是基於非常數學化和物理學的計算，獲得了確鑿的證據。
此前，天文學家針對當另一個小星系正面撞擊並穿過一個大星系時，衝擊波將如何向四面八方擴散進行了簡單的數學模型計算。讓我們再次回想一下往平靜的湖面扔進蘋果時激起的漣漪。最初形成的第一個衝擊波最先向四面八方快速擴散。隨後，內部產生了第二個較小的漣漪。在此期間，之前擴散的第一個漣漪已經擴散到更廣的半徑，變得愈發微弱。同時，在更內部又產生了第三個較小的漣漪。就這樣，從最外層擴散出的第一個環開始，向內不斷產生更小的環。
天文學家推測，外側環與緊挨其內側的環，其半徑應該保持一個非常一致的數學比例。用公式表示就是：R(i)/R(i+1)=(2i+1)/(2i-1)
這裡 i 代表是第幾個環。最外層最先擴散開的是第一個環，緊接著在內側形成的是第二個環。例如，計算一下最外層的第一個環 (i=1) 比第二個環大幾倍。代入 i=1，(2*1+1)/(2*1-1)=3/1，即結果為大三倍。同樣，計算一下第二個環應比第三個環大幾倍。代入 i=2，(2*2+1)/(2*2-1)=5/3=1.67，即大1.67倍。第三個環應比第四個環大1.4倍。像這樣，隨著 i 從1開始不斷增加，我們可以數學化地精確預測出內側後續產生的更小環應縮小到何種比例。
基於此，天文學家分析了哈勃拍攝的靶心星系照片中的環是否精確遵循這一比例。但有個問題，無法確認哈勃照片中靶心星系最外層的環是否真的是最早形成的第一個環。在該環之外，可能還存在著更早時期、擴散到更廣半徑的更大的環。因此，天文學家假設了照片中拍攝到的最外層環是第一個、第二個或第三個等多種情況，並比較了連續環的大小比例。最終確認了假設最外層環為第幾個環時，數學預測的比例與觀測到的環的比例最為吻合。結果令人震驚。
如果將哈勃照片中靶心星系的最外層環視為第三個環，那麼觀測到的更小環的大小比例完全符合數學預測。換句話說，這意味著雖然照片中沒拍到，但在更外圍已經有更巨大的環向更廣處擴散開來。哈勃照片中的八個環並不是全部！在更外側應該還有第九、第十個環。
由於此次哈勃觀測照片中的靶心星系最外層環是第三個環，因此緊鄰其外側的第二個環應該比當前的第三個環半徑大1.67倍。天文學家進行了額外觀測，以確認外圍是否真的隱藏著更廣闊的環。他們利用夏威夷的凱克望遠鏡和蜻蜓（Dragonfly）望遠鏡觀測了靶心星系。順便提一下，蜻蜓望遠鏡顧名思義，由48個望遠鏡鏡頭組成，就像蜻蜓的眼睛一樣觀察宇宙。即使是極其微弱且黑暗擴散的氣體雲痕跡也能清晰看到。
令人驚訝的是，天文學家透過蜻蜓望遠鏡的觀測，在預期的位置確實確認了更廣闊的第二個環的痕跡！不僅有哈勃照片中的八個環，而且確實存在預想中的第九個環。在很久以前向星系外圓周擴散的過程中，這個環變得非常微弱。因此，達到難以與遠距離背景星系區分的程度。但多虧了同時使用48個鏡頭觀測星系的蜻蜓巡天，才得以在背景恆星密佈的情況下，確認了微弱的氣體尾跡。
這意味著更遠的第十個環也可能存在。那正是造成這個靶心星系的太初星系間發生正面碰撞的瞬間，最先向四面八方擴散後消失不見的第一個環。
天文學家甚至找到了很久以前穿過靶心星系正中心的“犯人”，推測哈勃照片左側中間發著藍色微光的模糊星系就是罪魁禍首。透過分析該星系的光譜，結果顯示這個藍色星系與靶心星系距離相近，且正在以高速遠離。考慮到目前兩個星系之間的距離和速度，這個藍色星系似乎是在約10億年前貫穿了靶心星系，從而引起了現在獨特的同心圓漣漪。
經歷瞭如此激烈的正面碰撞後，靶心星系正在向外擴散並變得鬆散。它已經擴散到寬度為25萬光年，比我們的銀河系還要大兩倍，星系的表面亮度正在顯著變暗。事實上，宇宙中確實存在一些恆星分佈得過於廣泛，以至於難以區分它是星系還是背景宇宙的模糊星系。這類星系被稱為表面亮度極低星系（Low surface brightness galaxy）。
天文學家推測，這次在靶心星系中被數學精確證明的星系間正面碰撞的餘波，正是製造這種微弱星系的關鍵。很久以前牛頓教給我們的教訓，即宇宙中所有物理定律都同等適用的教導，再次成為解開宇宙及星系最神秘秘密的關鍵。
提到蘋果，還會想起另一個著名的傳說。那就是神射手威廉·退爾的故事。據傳說，他用箭準確擊中了放在兒子頭上的蘋果。牛頓堪稱400多年來展現出驚人命中率的最佳神射手。400年前牛頓射出的名為“蘋果”的小箭，擺脫了地球引力到達了月球，如今又擊中了5700萬光年外巨大星系的中心。看著貫穿星系的蘋果留下的漣漪圓圓地擴散開來所形成的靶心星系，我們追憶著那顆正朝著更遙遠的宇宙永恆飛翔的牛頓的蘋果。
參考
https://www.stsci.edu/contents/news-releases/2025/news-2025-006
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad9f5c
作者池雄培是誰？他熱愛貓與宇宙。童年時看完《銀河鐵道999》後，立志要將宇宙的美麗傳播開來。目前在延世大學星系演化研究中心及近宇宙論研究室，研究透過星系相互作用產生的演化，並參與演講與寫作等多種科學傳播活動。著有《曖昧中的天文臺》、《整天想宇宙》、《星，光之科學》等書。