[비즈한국] 苹果。改变人类历史的苹果共出现了四次。第一次是亚当和夏娃的禁果，通常以苹果为象征。第二次是塞尚静物画中的苹果。第三次是史蒂夫·乔布斯的苹果。第四次则是掉在艾萨克·牛顿头上的那个苹果。
通常我们认为，牛顿仅仅是通过观察掉在头上的苹果，发现了吸引苹果的地心引力。但事实并非如此。牛顿所代表的科学革命，其真正的意义在于别处。牛顿领悟到，吸引苹果的地心引力与将月球留在天上的地球引力，在本质上是完全相同的。这是一个巨大的飞跃。
在那之前，对人类而言物理学有两种。一种是针对地上的物理学，另一种是针对天上的物理学。人们认为地界和天界从构成物质到运作原理都是截然不同的世界。然而，牛顿证明了这两个分裂的世界实际上遵循着同一个原理在运行。为了理解地上和天上，人们不再需要两本物理课本了。仅凭一种统一的物理学，就能同时解释大地与宇宙。将原本区分开的两个世界合二为一，展示了大地与天空都受到相同物理定律的支配，这才是牛顿科学革命真正的价值所在。
现在，我们变得更加大胆了。我们坚信在地球上体验并掌握的引力，在数千万甚至数亿光年外的星系中也同样适用。这一信念已经得到了证实。引力不仅作用于挂在树上的苹果和天上的月亮，甚至在5700万光年外的星系中，也展现出了永恒不变的规律。
看看最近由哈勃空间望远镜捕捉到的星系 LEDA 1313424。它非常特别。它不仅仅是两三个旋臂缠绕的程度，从内到外呈现出多个同心圆环，看起来就像一个巨大的射箭靶子。因此，天文学家将这个星系命名为“靶心星系（Bullseye galaxy）”。
这个星系此前也曾被其他望远镜捕捉到，但人们从未想到它竟有如此独特的样貌。最初确认该星系形态的数据来自斯隆数字巡天（SDSS），该项目利用2.5米口径的望远镜绘制全天图。在SDSS的照片中，靶心星系看起来非常模糊，仅能勉强辨认出两圈环状结构。事实上，仅凭此样貌很难预料它隐藏着如此惊人的形态。因为在外围带有一两个环的星系并不罕见。
通常观测到的环状星系中心都有明显的棒状结构。棒状结构是由于星系中心恒星的轨道在拉伸变形的过程中产生共振并重叠而形成的。这种星系棒会将外围的气体物质吸引到星系中心。在此过程中，气体在棒状结构边缘被高密度压缩，从而诞生新的恒星。与此同时，棒状结构也随星系本身旋转，新诞生的恒星会沿着棒状结构的边缘呈圆环状分布。正如所知，棒状结构是形成并维持环状形态的主要机制。但这只能解释那些内外仅有两个环的星系。
天文学家分析了比SDSS分辨率更高的“遗产巡天（Legacy Survey）”数据。该巡天项目利用位于智利塞罗托洛洛美洲天文台的4米口径布兰科望远镜进行观测。得益于此，他们确认了环绕在靶心星系周围的环多达四个。但这还没完。通过进一步强化观测图像的对比度并进行细致分析，最终确认了多达七个环。这是在此前任何环状星系中都从未见过的惊人数量。从那时起，靶心星系就不再是一个普通的星系了。
为了揭开这个星系的秘密，天文学家再次将哈勃空间望远镜对准了靶心星系。由于哈勃空间望远镜不受地球大气层的干扰，因此能捕捉到更清晰、更暗淡的环。令人惊讶的是，从哈勃拍摄的照片中至少可以看到8个环！究竟如何才能存在如此复杂且华丽的星系呢？
就像儿时牛顿头上掉下的苹果一样，10亿年前，有什么东西撞向了这个星系。最初，这个星系并没有像现在这样复杂的环，它只是一个普通的星系。然而，10亿年前，另一个小星系几乎贯穿了它的中心。两个星系发生了正面碰撞。这就像往池塘里扔进一个苹果，涟漪向四面八方扩散开来。这次发现更令人惊奇的是，通过两个星系的正面碰撞来解释靶心星系，并不止于基于想象的假设，而是基于非常数学化和物理学的计算，获得了确凿的证据。
此前，天文学家针对当另一个小星系正面撞击并穿过一个大星系时，冲击波将如何向四面八方扩散进行了简单的数学模型计算。让我们再次回想一下往平静的湖面扔进苹果时激起的涟漪。最初形成的第一个冲击波最先向四面八方快速扩散。随后，内部产生了第二个较小的涟漪。在此期间，之前扩散的第一个涟漪已经扩散到更广的半径，变得愈发微弱。同时，在更内部又产生了第三个较小的涟漪。就这样，从最外层扩散出的第一个环开始，向内不断产生更小的环。
天文学家推测，外侧环与紧挨其内侧的环，其半径应该保持一个非常一致的数学比例。用公式表示就是：R(i)/R(i+1)=(2i+1)/(2i-1)
这里 i 代表是第几个环。最外层最先扩散开的是第一个环，紧接着在内侧形成的是第二个环。例如，计算一下最外层的第一个环 (i=1) 比第二个环大几倍。代入 i=1，(2*1+1)/(2*1-1)=3/1，即结果为大三倍。同样，计算一下第二个环应比第三个环大几倍。代入 i=2，(2*2+1)/(2*2-1)=5/3=1.67，即大1.67倍。第三个环应比第四个环大1.4倍。像这样，随着 i 从1开始不断增加，我们可以数学化地精确预测出内侧后续产生的更小环应缩小到何种比例。
基于此，天文学家分析了哈勃拍摄的靶心星系照片中的环是否精确遵循这一比例。但有个问题，无法确认哈勃照片中靶心星系最外层的环是否真的是最早形成的第一个环。在该环之外，可能还存在着更早时期、扩散到更广半径的更大的环。因此，天文学家假设了照片中拍摄到的最外层环是第一个、第二个或第三个等多种情况，并比较了连续环的大小比例。最终确认了假设最外层环为第几个环时，数学预测的比例与观测到的环的比例最为吻合。结果令人震惊。
如果将哈勃照片中靶心星系的最外层环视为第三个环，那么观测到的更小环的大小比例完全符合数学预测。换句话说，这意味着虽然照片中没拍到，但在更外围已经有更巨大的环向更广处扩散开来。哈勃照片中的八个环并不是全部！在更外侧应该还有第九、第十个环。
由于此次哈勃观测照片中的靶心星系最外层环是第三个环，因此紧邻其外侧的第二个环应该比当前的第三个环半径大1.67倍。天文学家进行了额外观测，以确认外围是否真的隐藏着更广阔的环。他们利用夏威夷的凯克望远镜和蜻蜓（Dragonfly）望远镜观测了靶心星系。顺便提一下，蜻蜓望远镜顾名思义，由48个望远镜镜头组成，就像蜻蜓的眼睛一样观察宇宙。即使是极其微弱且黑暗扩散的气体云痕迹也能清晰看到。
令人惊讶的是，天文学家通过蜻蜓望远镜的观测，在预期的位置确实确认了更广阔的第二个环的痕迹！不仅有哈勃照片中的八个环，而且确实存在预想中的第九个环。在很久以前向星系外圆周扩散的过程中，这个环变得非常微弱。因此，达到难以与远距离背景星系区分的程度。但多亏了同时使用48个镜头观测星系的蜻蜓巡天，才得以在背景恒星密布的情况下，确认了微弱的气体尾迹。
这意味着更远的第十个环也可能存在。那正是造成这个靶心星系的太初星系间发生正面碰撞的瞬间，最先向四面八方扩散后消失不见的第一个环。
天文学家甚至找到了很久以前穿过靶心星系正中心的“犯人”，推测哈勃照片左侧中间发着蓝色微光的模糊星系就是罪魁祸首。通过分析该星系的光谱，结果显示这个蓝色星系与靶心星系距离相近，且正在以高速远离。考虑到目前两个星系之间的距离和速度，这个蓝色星系似乎是在约10亿年前贯穿了靶心星系，从而引起了现在独特的同心圆涟漪。
经历了如此激烈的正面碰撞后，靶心星系正在向外扩散并变得松散。它已经扩散到宽度为25万光年，比我们的银河系还要大两倍，星系的表面亮度正在显著变暗。事实上，宇宙中确实存在一些恒星分布得过于广泛，以至于难以区分它是星系还是背景宇宙的模糊星系。这类星系被称为表面亮度极低星系（Low surface brightness galaxy）。
天文学家推测，这次在靶心星系中被数学精确证明的星系间正面碰撞的余波，正是制造这种微弱星系的关键。很久以前牛顿教给我们的教训，即宇宙中所有物理定律都同等适用的教导，再次成为解开宇宙及星系最神秘秘密的关键。
提到苹果，还会想起另一个著名的传说。那就是神射手威廉·退尔的故事。据传说，他用箭准确击中了放在儿子头上的苹果。牛顿堪称400多年来展现出惊人命中率的最佳神射手。400年前牛顿射出的名为“苹果”的小箭，摆脱了地球引力到达了月球，如今又击中了5700万光年外巨大星系的中心。看着贯穿星系的苹果留下的涟漪圆圆地扩散开来所形成的靶心星系，我们追忆着那颗正朝着更遥远的宇宙永恒飞翔的牛顿的苹果。
参考
https://www.stsci.edu/contents/news-releases/2025/news-2025-006
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad9f5c
作者池雄培是谁？他热爱猫与宇宙。童年时看完《银河铁道999》后，立志要将宇宙的美丽传播开来。目前在延世大学星系演化研究中心及近宇宙论研究室，研究通过星系相互作用产生的演化，并参与演讲与写作等多种科学传播活动。著有《暧昧中的天文台》、《整天想宇宙》、《星，光之科学》等书。