[비즈한국] 人的性格是遺傳的？還是由環境決定的？類似的問題也存在於星系的命運中。
星系從不停歇，不斷與臨近的鄰居星系發生碰撞和相互作用。正如這樣，星系誕生後所經歷的周邊環境因素對星系的命運有著巨大的影響。相比之下，更宏大的宇宙級環境因素似乎不會直接影響星系後續的生活。但事實並非如此！不，正相反，超越單個星系規模的全球性宇宙條件，可能早就註定了每個星系的命運！
我將這種效應稱為“宇宙的全球地方性（Glocal）效應”，意指全球規模的宇宙環境最終會影響區域性規模的星系命運。這種事是如何發生的呢？時隔許久，我來介紹一下我的最新研究成果。
相較於孤獨的星系，我對那些與相鄰星系相互作用的星系對更感興趣。星系間的相互作用會使其外觀發生多種變化。典型的例子就是星系盤發生扭曲的“翹曲（Warp）”現象。這種現象在那些星系盤幾乎完全橫臥的星系中觀察得尤為明顯。但是，要製造並長期維持星系盤的翹曲，僅憑一次與其它星系的劇烈碰撞是遠遠不夠的。這種瞬間的“火花”無法解釋那些歷經數億年依然保持穩定彎曲結構的真實星系翹曲。
因此，天文學家從包圍星系的暗物質暈（Halo）中找到了原因。暗物質暈並非單純地聚集呈美麗的球形，而是像橄欖球一樣，在某一軸向上稍顯拉長。然而，暗物質暈的軸線並不一定與其中包含的星系盤軸線平行，而是會產生一些偏差和傾斜。與鄰近星系的劇烈碰撞也是導致暗物質暈中心軸傾斜的主要原因之一。
暗物質暈符合其宏大的規模，長期持續地對其中的星系盤施加引力影響。多虧於此，一旦彎曲的星系盤不會迅速恢復平坦，從而能夠長時間維持彎曲結構。實際上，我們的銀河系盤也呈現出像品客薯片一樣彎曲的明顯S型。據推測，能夠長時間維持這種彎曲結構的原因之一，就是包圍銀河系的暗物質暈相對於銀河系軸線略有傾斜，且銀河系盤軸在其中進行週期性的進動（Precession）。
這是一個非常有力的假設，但也存在問題。那就是透過普通的光學觀測很難捕捉到包圍每個星系的暗物質暈。由於暗物質不發光，無論怎麼拍攝星系照片都無法看到它。取而代之的是，有一種間接方法可以推斷暗物質暈的規模、形態以及其拉伸軸的方向，那就是掌握暗物質暈產生的引力勢。並利用圍繞在每個星系周圍的衛星星系的空間分佈作為線索。
在本次研究中，我挑選出了星系盤表現出明顯翹曲結構的星系。翹曲根據形狀大致可分為兩種：兩側末端向相反方向彎曲的“S型翹曲”，以及向同一方向彎曲、看起來像碗一樣的“U型翹曲”。並找出了這些翹曲星系周圍被俘獲的輕型衛星星系，分析了它們的分佈方式。
結果發現，與沒有翹曲、盤面平坦的星系相比，表現出翹曲的星系中，衛星星系的分佈確實呈現出拉長且不圓的狀態。這意味著具有翹曲的星系生活在橄欖球形狀的暗物質暈中。這成為了“傾斜的暗物質暈引力勢是長期維持星系翹曲的秘密”這一假設的有力證據。
如果將星系與宇宙大尺度結構長絲（Filament）之間的距離，以及最近的長絲流向進行對比，會發現更有趣的事實。包圍星系的暗物質暈軸向並非隨機分佈。歸根結底，這是因為各個星系是隨著沿宇宙大尺度結構長絲彙集的物質聚集而形成的。
有趣的是，根據翹曲形狀的不同，暗物質暈相對於長絲的排列方式表現出顯著差異。對於表現出S型翹曲的星系，其暗物質暈幾乎與臨近的長絲平行排列。換句話說，在沿長絲流動而排列的暗物質暈中形成的星系，會展現出S型翹曲。相反，U型翹曲星系的暗物質暈軸線幾乎與臨近長絲垂直排列。在脫離長絲流向、向垂直方向形成的暗物質暈區域，星系會產生更不穩定的U型翹曲。
這一發現相當令人興奮，因為人們長期以來一直認為，翹曲的形狀是由鄰近星系以什麼方向、多大的力度靠近，即星系間相互作用產生的微小差異所決定的。然而，觀察以往的星系碰撞模擬，大多數能很好地重現穩定的S型翹曲，卻難以重現U型翹曲，即便偶爾重現，也無法長時間維持。因此，在現實宇宙中頻繁發現的U型翹曲的存在，至今尚未得到完美解釋。
然而，這項研究顯示，翹曲的形狀可能不是僅僅由與鄰近星系碰撞瞬間決定的瑣碎問題（後天性質），而是先天註定的命運。這表明，星系的形狀可能取決於它誕生於相對於臨近長絲以何種方式排列的暗物質暈中。這為我一直懷疑的所謂“宇宙的全球地方性（Glocal）效應”提供了重要線索。
當宇宙大尺度結構的長絲形成時，氣體物質和暗物質會沿著長絲快速流入。在此過程中，周邊暗物質暈的排列狀態得以確定，並在其中誕生了各個星系，從而最終決定了星系的命運。透過暗物質暈這一重要的中間環節作為媒介，在數Mpc（百萬秒差距）規模的宇宙大尺度結構中發生的效應，最終影響了生活在其中數kpc（千秒差距）規模的單個星系的命運！
不過，由於目前僅在盤面彎曲的翹曲星系這一限制條件下被發現，未來還需要對更多樣、更廣泛的星系進行系統性的追加驗證。我計劃透過包括星系形態、化學、動力學演化在內的多種層面，繼續深入分析宇宙的全球地方性效應是否真的在運作，以及單個星系的命運是否確實取決於很久以前形成的宇宙大尺度結構長絲。
參考
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae0e13
作者Ji Woong-bae是誰？熱愛貓咪與宇宙。兒時在看過《銀河鐵道999》後，立下了向世人宣傳宇宙之美的夢想。目前作為世宗大學自由專業學部助理教授，參與演講、寫作等多種科學傳播活動。著有《每天一片宇宙》、《星光璀璨的宇宙科學家們》、《雖然無法到達但可以瞭解》、《看到宇宙就會想到的奇怪問題》等書籍，並翻譯了《給真正宇宙旅行者的搭車指南》、《我為何殺了冥王星》、《量子生活》、《宇宙圖形》等作品。