[비즈한국] 宇宙在旋轉。行星在旋轉，恆星在旋轉，星系也在旋轉。那麼，由多個星系聚集而成的更宏大的結構是否也會旋轉呢？最近，天文學家發現了迄今為止已知規模最大的旋轉宇宙大尺度結構。一個長達5000萬光年的宇宙大尺度結構纖維，看起來正在整體旋轉！
位於南非沙漠中的MeerKAT射電望遠鏡陣列對準了宇宙的一角。這項研究是MIGHTEE觀測專案的一部分，該專案利用64臺射電望遠鏡協同工作，透過掃描天空來繪製遠方宇宙的星系地圖。射電波在觀測星系內部包含的新鮮氫氣方面表現卓越。氫氣含量展示了星系未來還能孕育多少新恆星。在距離約1.4億光年遠的地方，研究人員發現了14個富含氫氣的星系。有趣的是，這些星系並非雜亂無章地散落在宇宙空間中，而是連成了一條長約550萬光年的細長結構。
但這還不是全部。這14個連成一線的星系，實際上是規模更為巨大的宇宙大尺度結構纖維（filament）的一部分。該纖維在之前透過可見光觀測確定的星系地圖中已清晰可見。這條由約280個星系串聯而成的巨大纖維，長度達到了5000萬光年。
宇宙大尺度結構的纖維也被稱為“星系高速公路”。宇宙誕生之初，原始密度存在著微小的漲落。物質從四面八方迅速向重力稍強的區域匯聚，形成了連線的纖維。沿著這些宇宙高速公路，大量的氣體和暗物質不斷聚攏，隨著時間的推移，星系就在其中逐一孕育而生。由於纖維相互交織如同巨大的網，因此也被稱為“宇宙網（Cosmic Web）”。當今許多超高解析度的宇宙學模擬實驗，都非常完美地再現了宇宙網的形成過程。
此次發現的纖維之所以特別，不僅是因為它的巨大，還在於這條粗壯細長的纖維正在整體旋轉！利用射電波進行的氫氣觀測，能更準確地判斷每個星系的旋轉速度和方向。隨著星系盤的旋轉，其中一半向我們靠近，另一半則遠離我們，從而產生多普勒效應，即一半發生藍移，另一半發生紅移。利用這一點，天文學家發現這14個星系的旋轉軸與其所在的巨大氣體纖維方向驚人地保持平行。
這一結果在常規模擬實驗中很難透過普通纖維觀測到。通常模擬假設在沒有外部作用力的情況下，僅靠重力聚攏物質並孕育星系，星系內部的旋轉方向沒有理由表現出特定的傾向性，應該呈現隨機分佈。然而，此次發現的結構中，星系的旋轉軸沿著纖維方向表現出了近乎完美的平行排列。
這意味著在星系誕生時，還存在著受纖維方向顯著影響的額外效應。如果氣體物質沿著纖維方向流入，並在氣流中孕育星系，那麼星系的旋轉軸就會呈現出如此一致的排列。
更令人驚奇的是，不僅是纖維內的各個星系在旋轉，連這條纖維本身也在整體旋轉。天文學家進一步分析了纖維內所有星系的相對運動。結果顯示，沿著細長的纖維，一半星系向遠離纖維的方向移動，另一半則向靠近的方向移動。整個纖維正以110km/s的驚人速度旋轉。這一速度與目前正快速衝向彼此的銀河系和仙女座星系的相對速度相當。一個長達5000萬光年的巨大厚重纖維，即宇宙大尺度結構的一根絲線，竟然正以兩個即將發生碰撞的星系般的高速在旋轉！這是迄今為止發現的最長、最巨大的宇宙旋轉結構。
此次確認的纖維之所以表現出尤為明顯的旋轉特徵，可能是因為它處於相對年輕的演化階段。這條纖維中居住著許多富含恆星燃料（氫氣）的星系，且內部動力學並不複雜，呈現出一致的自旋，在動力學上可以被視為“冷”狀態。換言之，在宇宙大尺度結構形成和纖維連線的過程中，它是一個“剛剛形成”的年輕纖維。因此，沿著剛開通的星系高速公路，氣流的影響依然強烈，其中孕育的星系也清晰地共享著平行的自旋方向。
這一發現比以往更明確地展示了宇宙大尺度結構形成的具體過程以及星系在其內部是如何誕生的。就像透過觀察正在孕育新恆星的年輕星雲來理解恆星誕生一樣，我們透過觀察偶然發現的相對年輕的宇宙網，理解了宇宙大尺度結構的誕生。這是一個曾經只能透過模擬推測，如今卻正在連線、成形的宇宙網現場。
此外，我們也再次意識到，我們的宇宙並非一個已經完成所有演化過程的成熟世界。只要細心觀察，宇宙各處依然隱藏著許多正在創造新結構的場所，甚至包括長達5000萬光年的巨大宇宙網。雖然初看之下，宇宙彷彿是一個演化終結、在緩慢冷卻中等待死亡的無聊世界，但它從未停止塑造自身的新面貌和新結構。
這一發現將對利用近期投入使用的薇拉·魯賓天文臺（Vera C. Rubin Observatory）和DESI觀測專案，從立體層面掌握遍佈全宇宙的龐大星系地圖，並完善和理解真實的宇宙大尺度結構地圖大有裨益。我們的宇宙就像一張巨大的網，所有星系沿著細長的纖維交織在一起。而現在，我們甚至知道了每一根纖維絲線都在邊扭曲邊旋轉。
不久之後，我們將不再僅僅擁有展示星系靜態連線空間的宇宙大尺度結構地圖，而是能完成一份包含每條纖維旋轉速度和扭曲程度的、更宏大的動態地圖。就像觀察模擬宇宙中物質聚攏、骨架顯現的過程一樣，我們現在可以將這些驚人的景象投射到真實的宇宙中去描繪和想象。
參考
https://academic.oup.com/mnras/article/544/4/4306/8363602?login=false
作者Ji Ung-bae是？熱愛貓咪與宇宙。兒時在看過《銀河鐵道999》後，立志傳播宇宙之美。目前擔任世宗大學自由專業學部助理教授，積極從事講座、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》、《無法到達卻能瞭解》、《仰望宇宙時想到的奇怪問題》等書，並翻譯了《給真正太空旅行者的搭車指南》、《我為何終結了冥王星》、《量子生活》、《Cosmigraphics》等作品。