[비즈한국] 1950年12月31日，《華盛頓郵報》的一個角落裡刊登了一篇引人注目的文章。文章標題是：“年輕媽媽發現了宇宙的深淵！”這位“年輕媽媽”指的就是當時正在攻讀博士學位的女天文學家薇拉·魯賓（Vera Rubin）。當時魯賓的孩子剛出生不久，她帶著襁褓中的嬰兒，與父親和丈夫一起在風雪中趕去參加天文學會。在會上，她留下了自己記憶中最尷尬的“黑歷史”。
當時，魯賓分析了分佈在北半球天空中的108個河外星系的運動。她發現這些星系的運動模式似乎整體上偏向於某個方向，並據此提出了整個宇宙可能圍繞著某個軸心旋轉的可能性。魯賓在當年的釋出會上起了一個非常宏大且大膽的標題——“宇宙的旋轉（Rotation of the Universe）”。對於一個剛剛開始研究的博士生來說，這是一個令人咋舌的論點和標題。
魯賓的論斷正面否定了宇宙在沒有特定方向性、均勻且各向同性的核心假設。理所當然，天文學界的反應十分冷淡。一位剛生完孩子的年輕女性竟然提出整個宇宙在旋轉的驚人觀點，這件震撼且尷尬的事情甚至還引發了前述那種荒唐的報道。隨著時間的推移，她的發現被證明是由於資料有限而產生的某種統計偏差或誤差。在此後很長一段時間裡，宇宙在沒有特定方向性上是均勻的這一“宇宙學原理”被視為不言而喻的事實。
然而，最近出現了一項令人震驚的發現，讓人回想起半個世紀前那個出現又消失的魯賓的“黑歷史”研究。新的研究顯示，宇宙似乎確實以某種特定的方向在旋轉。而且，這項研究利用了詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）更龐大的觀測資料。這確實令人困惑。該論文的作者利奧爾·沙米爾（Lior Shamir）甚至主張，這一發現可能是“黑洞宇宙論”（即我們宇宙被囚禁在一個巨大的黑洞之內）最直接的證據。這次的發現是真的嗎？我們真的被困在一個巨大的黑洞裡嗎？
包括我們的銀河系和緊鄰的仙女座星系在內，宇宙中的大多數星系都呈現出明顯的盤狀和旋臂結構，這類星系被稱為螺旋星系。螺旋星系都會向同一個方向旋轉，透過旋臂的捲曲形狀，可以輕易辨別星系的旋轉方向。包括我在內的天文學家之所以特別關注螺旋星系，並不僅僅是因為它們長得漂亮（當然，這也是一個重要原因）。
螺旋星系的旋轉受到包裹整個星系的暗物質暈（Dark Matter Halo）的支配。星系的旋轉方向完整地反映了星系形成之初周圍宇宙的大尺度結構環境以及暗物質的方向性。如果基於海量資料系統地研究多個螺旋星系的旋轉，就像在天氣圖上繪製氣流一樣，我們可以掌握宇宙中暗物質的分佈及流動方向。
沙米爾博士近期分析了韋布望遠鏡拍攝的“JWST高階深場河外星系巡天（JADES）”影象，進行了大規模的螺旋星系搜尋。他特別篩選出了263個旋臂結構清晰、易於判斷旋轉方向的星系。
根據宇宙在沒有特定方向性上是隨機存在的既有觀點，這些螺旋星系的旋轉方向也應該是隨機的。順時針旋轉的星系和逆時針旋轉的星系應該各佔50%。然而，此次論文的結果令人震驚：在可觀測的263個星系中，竟有三分之二呈現順時針旋轉，而逆時針旋轉的星系僅佔三分之一。這是一種極端的失衡。這意味著，如果將宇宙中現存的所有星系取平均值，宇宙本身也應該在旋轉時表現出某種占主導地位的特定方向性。
事實上，這種星系旋轉的不對稱問題在早期的其他研究中也曾被提及。天文學家曾透過“斯隆數字巡天（SDSS）”對數百萬個星系影象按形狀進行了分類。當時人工智慧的影象分類能力不足，因此天文學家藉助了全世界天文愛好者的力量。結果在一年內完成了數百萬個星系的分類，但天文學家在其中發現了一個有趣的事實：具有逆時針旋轉旋臂的星系稍微多一些。
為了驗證這種偏差是否屬實，天文學家進行了一項有趣的測試：將同樣的星系影象像映象反射一樣翻轉，再次讓人們進行投票。如果宇宙中確實存在更多的逆時針旋轉螺旋星系，那麼當把所有星系影象倒轉後再投票時，理應得出順時針旋轉星系更多的結論。結果如何呢？有趣的是，逆時針旋轉星系的比例依然更高。這意味著人們即使在看同樣的螺旋星系影象時，認知上存在將其識別為“逆時針捲曲”的比例更高。當時基於“星系動物園（Galaxy Zoo）”資料的研究最終被當作一個小插曲，結論是宇宙本身並非不對稱，僅僅是觀察者對旋臂方向的認知存在偏差。
但這次的結果不同。因為螺旋星系的旋轉方向並非僅僅憑肉眼判斷。星系中恆星和氣體密度更高的區域（旋臂）畫素比臂間區域更亮。利用這一點，研究自動識別了所有星系的旋臂並判斷出各自的旋轉方向。分析結果令人困惑：多達三分之二的星系在順時針旋轉。這很難理解，因為宇宙沒有理由表現出這種不對稱。那麼，我們該如何看待這一結果呢？
首先，最有可能的可能性是此次分析所使用的資料本身存在偏差。263個星系雖然乍看之下不少，但與當代規模宏大的統計研究相比，樣本量非常少。當然，本研究的特殊之處在於它只使用了韋布望遠鏡觀測到的高解析度星系影象，但將其視為代表整個宇宙的方向性還是太薄弱了。此外，該研究僅利用了JADES資料（觀測特定方向），並不是針對分佈在宇宙各處的全部星系進行的研究，而是隻分析了最初就聚集在相似方向上的星系。這一點非常致命。
事實上，當我們談論宇宙是均勻且各向同性時，這種宇宙學原理是指極其宏觀的尺度。對我們而言，星系團聽起來非常巨大，但在宇宙學原理所描述的宇宙尺度面前，它只是非常小的結構。在一個星系團內部，其中的星系完全可能共享某種特定的方向性。實際上，2021年的《自然-天文學》期刊就釋出了一項研究成果，證明像蜘蛛網一樣錯綜複雜的“宇宙大尺度結構”絲狀體（Filaments）也正朝著一個方向旋轉。
當時，天文學家利用斯隆數字巡天資料，對屬於1萬7181個絲狀體的21萬3625個星系進行了龐大的統計分析。這比此次韋布研究中使用的263個樣本量要多得多。簡單來說，絲狀體可以看作是星系連成的一條長長的圓柱形結構。如果這個絲狀體圍繞其長軸旋轉，那麼屬於絲狀體的半數星系應該表現為向我們靠近，另一半表現為遠離。天文學家比較了各星系的相對運動方向和速度，結果驚人地發現，在每個絲狀體中，約半數星系遠離我們，另一半則在靠近！這種差異非常明顯，若假設絲狀體不旋轉是絕對無法解釋的。而且，在末端擁有更厚重星系團的絲狀體中，旋轉表現得更為強烈。
這表明整個絲狀體正在受周圍引力場的影響而旋轉。當宇宙大尺度結構的絲狀體形成時，物質不僅僅是流向這裡，還保留了創生初期微小的角動量，並隨著物質積累，最終形成了現在清晰旋轉的絲狀體。
2021年發表的這一發現意味著，如果我們僅僅觀察宇宙大尺度結構的一角，確實有可能觀測到該區域的星系集體向一個方向旋轉的景象。最終，要探討整個宇宙是否真的具有統一的旋轉分量，僅憑一兩個星系團或絲狀體是無法判斷的。必須收集並分析分佈在北半球和南半球各處的數百萬、數千萬個星系，才能做出公平的評價。
在本研究中，作者為了清晰分辨遠方星系的旋臂，使用了韋布望遠鏡的高解析度影象資料。但韋布望遠鏡的單次視場非常狹窄，它本來就不是為了像其他巡天專案那樣快速掃描整個天空而發射的望遠鏡。最終，它不可避免地只能分析特定狹窄視場內的星系，這完全有可能會導致該區域的星系看起來似乎具有向一個方向傾斜的方向性。
儘管如此，作者仍在此基礎上邁出了一步，提出了大膽的主張：如果宇宙真的整體朝著一個方向旋轉，則暗示我們的宇宙是一個被困在巨大黑洞中的世界。
黑洞宇宙論在史蒂芬·霍金年輕時研究黑洞奇點時就開始被討論。從物理學上看，黑洞的奇點與創生大爆炸的奇點沒有區別，因為兩者都是極高質量壓縮於一點、密度無限大且體積為零的狀態。因此，如果無法區分黑洞奇點與大爆炸奇點，就可以認為我們的宇宙也是誕生於某個極其巨大黑洞的奇點。事實上，我們宇宙中的黑洞也在不斷吞噬物質擴大規模，而我們的宇宙也一直在膨脹。
此外，黑洞存在“事件視界”這一界限，在此之內發生了什麼無從得知，這與我們透過光線所能感知的宇宙邊界——“宇宙可觀測視界”非常相似。況且，最近一些天文學家甚至主張，加速宇宙膨脹的暗能量可能與分佈在宇宙各地星系中心的超大質量黑洞有關，這讓人不禁懷疑宇宙整體與黑洞之間是否真的存在某種關聯。
宇宙中發現的所有黑洞都在朝著一個方向快速旋轉。透過緩慢旋轉、擴散開來的恆星和氣體雲瞬間坍縮成小點而形成的黑洞，在此過程中為了維持角動量會獲得極快的自轉。如果正如被稱為“史瓦西宇宙論”的黑洞宇宙論所言，我們的宇宙也是被囚禁在一個更大黑洞中的世界，那麼容納我們宇宙的那個黑洞也應該在快速旋轉，最終我們應該會看到整個宇宙向一個方向旋轉的景象。論文作者提到了這種情境可能性，並主張此次發現暗示了黑洞宇宙論。
因為作者在論文中提到的黑洞宇宙論概念過於離經叛道，人們的關注點大多集中於此，但實際上此次研究所用觀測資料有著更重要的另一層意義。
近幾年，天文學家在宇宙中新發現了長達數十億光年的巨大結構。比如宇宙盡頭多個類星體連線而成的原始絲狀體，甚至達到了可觀測宇宙近半規模的長條狀星系超級結構。這些結構似乎背離了認為宇宙在宏觀尺度上應該均勻的現有宇宙學原理。這種超大結構在應用現有標準宇宙學模型的模擬中無法重現。為了解決這一問題，天文學家甚至開始考慮宇宙從誕生之初就可能存在偏向性或偏差的可能性。因此，將此次論文的論點視為對宇宙不均勻性和各向異性的懷疑的延續，會更加合理。
如果真的能證實宇宙整體在向一個方向旋轉並具有角動量，那麼薇拉·魯賓將其視為“黑歷史”的回憶時刻，或許會被重新評估為歷史上第一次談及宇宙旋轉這一真理、超前時代的發現瞬間。就像愛因斯坦曾被評價為“黑歷史”的宇宙學常數（蘭姆達），最終因暗能量的發現而被重新評價為超前時代的洞察力一樣。
“非凡的論點需要非凡的證據。”我不禁再次沉思卡爾·薩根留下的這句話的含義。
參考
https://www.k-state.edu/news/articles/2025/03/lior-shamir-james-webb-space-telescope-spinning-galaxies.html
https://academic.oup.com/mnras/article/538/1/76/8019798?login=false
https://www.nature.com/articles/s41550-021-01380-6
作者池雄培（Ji Ung-bae）是誰？他熱愛貓和宇宙。童年時期在看了《銀河鐵道999》後，立志要將宇宙的美麗傳播給世人。目前在延世大學星系演化研究中心及近宇宙論實驗室研究星系間的相互作用，並透過講座和寫作開展各種科學傳播活動。著有《曖昧的天文臺》、《終日思考宇宙》、《星，光的科學》等書。