[비즈한국] 最近，天文学家在詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）的观测数据中，发现了一个存在于大爆炸后不久的早期宇宙中、拥有巨大且清晰螺旋臂的星系！这张观测 Abell 2744 星系团方向的照片显示，这个漩涡状的原始星系在大爆炸后仅仅 15 亿年时就已经存在了。
事实上，我们对旋转的螺旋星系非常熟悉。我们居住的银河系是如此，最广为人知的仙女座星系也是螺旋星系。既然这种星系形态看起来如此普遍，为什么天文学家会对这次的发现如此关注呢？
这是因为我们至今仍不完全清楚星系的螺旋臂是如何形成的。更令人惊讶的是，这次发现的星系 A2744-GDSp-z4 在如此早期的阶段就长出了清晰的螺旋臂。天文学家原以为星系需要数十亿年的时间才能形成清晰且鲜明的螺旋臂。然而，在宇宙年龄仅为现在的十分之一时，这个直径为 3.2 万光年（约为银河系三分之一大小）的原始星系，就已经环绕着非常清晰的“宏伟设计（Grand Design）”螺旋臂。这暗示了星系螺旋臂形成的速度可能比我们预想的要快得多。
螺旋臂是目前所观测到的盘星系中超过 70% 的星系所共有的、极为普遍的现象。然而，我们仍然不知道螺旋臂的确切起源和机制。这些螺旋臂究竟是如何形成的？星系绚丽的“宇宙拿铁艺术”是如何展开的呢？
人们很早就发现了星系的螺旋臂。甚至在“星系”这个词尚未普及的年代就是如此。20 世纪以前，人类认为宇宙就是银河系。夜空中偶尔可见的旋转气体云，被认为是包含在巨大银河系中的小云团。1840 年，天文学家威廉·帕森斯（William Parsons）绘制了今天众所周知的“旋涡星系”（M51）的详细图像。当时的天文学家将这些带有螺旋臂的气体云称为“旋涡星云”。
此后，通过哈勃的发现，人们才知道包括仙女座在内的旋涡星云是银河系之外独立的宇宙。认识并探索河外星系的星系天文学复兴期由此拉开序幕。哈勃根据照片中星系的形态，建立了一套将其分类为圆形椭圆星系和带有螺旋臂的旋涡星系的体系。旋涡星云从此被称为旋涡星系。
长期以来，天文学家认为螺旋臂是一种固定的结构。他们认为属于螺旋臂的恒星会一直留在螺旋臂中随之移动。但这里有一个问题。天文学家扬·奥尔特（Jan Oort，奥尔特云的提出者）与同事林德布拉德（Bertil Lindblad）研究银河系盘面恒星的运动时发现，位于银河系中心的恒星比太阳附近的恒星旋转速度快得多。我们的太阳和周围的恒星绕银河系盘面一周需要 2 亿年，而银河系中心的恒星以不到 20 年的极短周期快速旋转。
同样，天文学家也认为螺旋臂靠近中心和远离中心的部分，旋转速度应该差异极大。在这种情况下，螺旋臂内外旋转速度完全不同，会导致它逐渐缠绕在一起。然而实际上，并没有任何一个旋涡星系表现出螺旋臂逐渐变得紧密缠绕的现象。它们始终保持着巨大而美丽的螺旋臂形态。这就是著名的“卷绕问题（Winding problem）”。
1964 年，一个解决卷绕问题的巧妙点子被提了出来。有趣的是，在拥挤的高速公路上就能找到与星系螺旋臂中发生的情况完全一致的现象。有时在路上行驶时，会遇到特定路段车流突然拥堵的情况。这种在没有特殊原因下持续存在的交通拥堵现象，被称为“幽灵拥堵”。原因很简单：假设路上的某辆车突然踩了刹车，那么后面的车辆也会依次开始刹车。起初造成拥堵的车辆再次提速离开拥堵路段，但一旦开始的拥堵波会持续向后传播。
由此我们可以得出一个有趣的结论：并不是同一批车辆一直被困在拥堵路段中。换句话说，拥堵路段是一种与实际道路和行驶车辆无关的“波动”，而不是路面上存在的坚硬结构。所有车辆以各自的速度行驶，暂时进入拥堵路段，然后又驶出。没有任何汽车会永远停留在拥堵路段中。这种现象被称为“密度波（Density wave）”。意思是密度高的区域像波浪一样维持着。
如果在银河系盘面中，由于某种原因导致恒星轨道重叠并形成密度较高的密度波区域，那么就能稳定地维持巨大的宏伟设计螺旋臂。如果这一假设正确，许多星系呈现出的清晰螺旋臂，可以看作是恒星高速公路上长达数十亿年、甚至百亿年的交通拥堵现场。当被困在拥堵的道路上时，这样想的话，突然觉得自己仿佛变成了一颗正穿行在巨大螺旋臂中心的恒星。
然而，密度波理论只解释了一旦形成的螺旋臂如何能长期保持形态，却没有说明它最初是如何开始的。也就是说，它解释了为什么一旦开始的拥堵能持续至今，但却无法解释究竟是谁在什么情况下开启了这场拥堵。
为了补充这一点，一些天文学家从银河系盘面中不断经历爆炸与诞生的恒星的狂暴一生中寻找原因。这是由天文学家马克·穆勒（Mark Mueller）和戴维·阿内特（David Arnett）于 1976 年首次提出的一个非常有趣的模型。银河系盘面中密集分布着气体物质，因此恒星不断诞生。其中大质量恒星演化更快，最终以超新星爆炸告终。此时产生的冲击波在周围盘面气体中扩散，被冲击波推动的气体物质再次被高密度压缩，从而导致另一批新恒星的诞生。盘面某处发生的大质量恒星超新星爆炸，相继导致周围盘面产生新恒星和另一场超新星爆炸。
在此过程中，新诞生的恒星和超新星自然都会在银河系盘面上运行。因此，冲击波逐渐以圆形环绕盘面扩散，最终在银河系盘面全境形成了星体密度极高的螺旋状区域。由于这是一个反复出现恒星诞生与爆炸，从而使螺旋臂自我增长的过程，因此该模型被称为“随机自传播恒星形成模型（Stochastic Self-Propagating Star Formation）”，简称 SSPSF 模型。
但这个模型也不够完善。最近的高分辨率模拟显示，用 SSPSF 模型解释的旋涡星系，大多是拥有多条纤细、不规则螺旋臂的形状。它们很难解释那种仅有两三条巨大、清晰螺旋臂的“宏伟设计”旋涡星系。
那么，能否通过观测验证密度波理论和 SSPSF 模型哪个正确呢？有趣的是，密度波理论提出了一个非常重要的预测。将螺旋臂解释为恒星“拥堵路段”的密度波理论预测，随着螺旋臂在银河系盘面中移动，它会压缩周围的气体，从而制造出新的恒星。
在此过程中，会诞生从轻质量到大质量的各类恒星。沉重的蓝色恒星快速演化，在超新星爆炸中消失。而轻质量的恒星则能存活更久，并从原本诞生的密度波区域稍微偏离。因此，根据密度波理论，应该能观测到沿螺旋臂分布的恒星颜色（从蓝色到红色）以及年龄的渐变（梯度）。
这是一个能够从观测上验证密度波理论的直观且重要的预测！长期以来，许多观测研究都在尝试验证这一理论。这也是我非常关注的研究领域之一。然而令人困惑的是，不同的研究得出了不同的结果。有些星系表现出密度波理论预测的清晰颜色分布，但有些星系却并非如此，甚至有些呈现出完全相反的趋势。为了解释这种尴尬的情况，一些天文学家甚至考虑了某些星系的螺旋臂可能在反向旋转的假设。
事实上，由于螺旋臂中不仅有恒星和气体云，还有大量的尘埃，因此必须审慎考虑尘埃导致星光变暗的现象。像最近升空的詹姆斯·韦布这样的太空望远镜，特别利用红外线进行观测，能够穿透遮挡视线的尘埃并深入观察。因此，我们期待通过后续的补充观测，能更系统地验证密度波理论。
随着利用超级计算机进行超高分辨率宇宙学模拟研究的普及，描绘星系演化的方式也发生了巨大变化。现在，天文学家不再认为任何星系是独自孤独演化的。所有星系都经历过与周围大小星系碰撞、擦肩而过等各种相互作用。
过去在计算能力不足时，研究人员会创建一个周围没有任何东西的独立理想化模拟星系来再现螺旋臂。但这仅仅是一个未能反映星系间混乱互动之真实宇宙现实的理想化模拟。现在，天文学家推测，漂浮在巨大星系周围的小型卫星星系的流入与碰撞，可能在星系盘面上激起了涟漪，而由此开始的恒星波纹持续至今，从而形成了巨大的“宏伟设计”螺旋臂。
然而，这种方式需要足够的时间。这次发现的原始螺旋星系存在于宇宙年龄仅 15 亿年的时候。考虑到一个星系形成、演化出平坦圆盘、随后开始产生螺旋臂，并最终成长为拥有两条清晰“宏伟设计”螺旋臂的星系，这中间必须经历的所有过程，15 亿年的时间显得相当紧迫。
要解决这个混乱，必须确认这次发现的星系仅仅是一个幸运儿，还是说在宇宙尽头，清晰的旋涡星系本身就非常常见。我们需要观测更广阔的早期宇宙地图，并对其中有多少星系拥有螺旋臂进行大规模的统计研究。
包括已经输出优质数据超过 3 年的詹姆斯·韦布空间望远镜，即将公开观测数据的欧几里得空间望远镜，以及明年进行首次观测测试的薇拉·鲁宾天文台，每天都会涌现出数十 TB 的海量数据。通过这些数据，从大爆炸后的早期宇宙到邻近的现代宇宙，分析旋涡星系比例的变化，以及螺旋臂大小或规模的演变，我们将能够揭开螺旋臂真正的起源之谜。
参考
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024arXiv241204834J/abstract
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1926ApJ....64..321H/abstract
作者 Ji Woong-bae 是谁？他热爱猫和宇宙。小时候在看了《银河铁道999》后，便梦想着向大众传播宇宙的魅力。目前在延世大学银河演化研究中心及近宇宙论实验室研究星系通过相互作用进行的演化，并从事讲座、写作等各种科学传播活动。著有《썸 타는 천문대》（暧昧天文台）、《하루 종일 우주 생각》（整天想宇宙）、《별, 빛의 과학》（星，光的科学）等书籍。