[비즈한국] 1950年12月31日，《华盛顿邮报》的一个角落里刊登了一篇引人注目的文章。文章标题是：“年轻妈妈发现了宇宙的深渊！”这位“年轻妈妈”指的就是当时正在攻读博士学位的女天文学家薇拉·鲁宾（Vera Rubin）。当时鲁宾的孩子刚出生不久，她带着襁褓中的婴儿，与父亲和丈夫一起在风雪中赶去参加天文学会。在会上，她留下了自己记忆中最尴尬的“黑历史”。
当时，鲁宾分析了分布在北半球天空中的108个河外星系的运动。她发现这些星系的运动模式似乎整体上偏向于某个方向，并据此提出了整个宇宙可能围绕着某个轴心旋转的可能性。鲁宾在当年的发布会上起了一个非常宏大且大胆的标题——“宇宙的旋转（Rotation of the Universe）”。对于一个刚刚开始研究的博士生来说，这是一个令人咋舌的论点和标题。
鲁宾的论断正面否定了宇宙在没有特定方向性、均匀且各向同性的核心假设。理所当然，天文学界的反应十分冷淡。一位刚生完孩子的年轻女性竟然提出整个宇宙在旋转的惊人观点，这件震撼且尴尬的事情甚至还引发了前述那种荒唐的报道。随着时间的推移，她的发现被证明是由于数据有限而产生的某种统计偏差或误差。在此后很长一段时间里，宇宙在没有特定方向性上是均匀的这一“宇宙学原理”被视为不言而喻的事实。
然而，最近出现了一项令人震惊的发现，让人回想起半个世纪前那个出现又消失的鲁宾的“黑历史”研究。新的研究显示，宇宙似乎确实以某种特定的方向在旋转。而且，这项研究利用了詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）更庞大的观测数据。这确实令人困惑。该论文的作者利奥尔·沙米尔（Lior Shamir）甚至主张，这一发现可能是“黑洞宇宙论”（即我们宇宙被囚禁在一个巨大的黑洞之内）最直接的证据。这次的发现是真的吗？我们真的被困在一个巨大的黑洞里吗？
包括我们的银河系和紧邻的仙女座星系在内，宇宙中的大多数星系都呈现出明显的盘状和旋臂结构，这类星系被称为螺旋星系。螺旋星系都会向同一个方向旋转，通过旋臂的卷曲形状，可以轻易辨别星系的旋转方向。包括我在内的天文学家之所以特别关注螺旋星系，并不仅仅是因为它们长得漂亮（当然，这也是一个重要原因）。
螺旋星系的旋转受到包裹整个星系的暗物质晕（Dark Matter Halo）的支配。星系的旋转方向完整地反映了星系形成之初周围宇宙的大尺度结构环境以及暗物质的方向性。如果基于海量数据系统地研究多个螺旋星系的旋转，就像在天气图上绘制气流一样，我们可以掌握宇宙中暗物质的分布及流动方向。
沙米尔博士近期分析了韦布望远镜拍摄的“JWST高级深场河外星系巡天（JADES）”图像，进行了大规模的螺旋星系搜寻。他特别筛选出了263个旋臂结构清晰、易于判断旋转方向的星系。
根据宇宙在没有特定方向性上是随机存在的既有观点，这些螺旋星系的旋转方向也应该是随机的。顺时针旋转的星系和逆时针旋转的星系应该各占50%。然而，此次论文的结果令人震惊：在可观测的263个星系中，竟有三分之二呈现顺时针旋转，而逆时针旋转的星系仅占三分之一。这是一种极端的失衡。这意味着，如果将宇宙中现存的所有星系取平均值，宇宙本身也应该在旋转时表现出某种占主导地位的特定方向性。
事实上，这种星系旋转的不对称问题在早期的其他研究中也曾被提及。天文学家曾通过“斯隆数字巡天（SDSS）”对数百万个星系图像按形状进行了分类。当时人工智能的图像分类能力不足，因此天文学家借助了全世界天文爱好者的力量。结果在一年内完成了数百万个星系的分类，但天文学家在其中发现了一个有趣的事实：具有逆时针旋转旋臂的星系稍微多一些。
为了验证这种偏差是否属实，天文学家进行了一项有趣的测试：将同样的星系图像像镜像反射一样翻转，再次让人们进行投票。如果宇宙中确实存在更多的逆时针旋转螺旋星系，那么当把所有星系图像倒转后再投票时，理应得出顺时针旋转星系更多的结论。结果如何呢？有趣的是，逆时针旋转星系的比例依然更高。这意味着人们即使在看同样的螺旋星系图像时，认知上存在将其识别为“逆时针卷曲”的比例更高。当时基于“星系动物园（Galaxy Zoo）”数据的研究最终被当作一个小插曲，结论是宇宙本身并非不对称，仅仅是观察者对旋臂方向的认知存在偏差。
但这次的结果不同。因为螺旋星系的旋转方向并非仅仅凭肉眼判断。星系中恒星和气体密度更高的区域（旋臂）像素比臂间区域更亮。利用这一点，研究自动识别了所有星系的旋臂并判断出各自的旋转方向。分析结果令人困惑：多达三分之二的星系在顺时针旋转。这很难理解，因为宇宙没有理由表现出这种不对称。那么，我们该如何看待这一结果呢？
首先，最有可能的可能性是此次分析所使用的数据本身存在偏差。263个星系虽然乍看之下不少，但与当代规模宏大的统计研究相比，样本量非常少。当然，本研究的特殊之处在于它只使用了韦布望远镜观测到的高分辨率星系图像，但将其视为代表整个宇宙的方向性还是太薄弱了。此外，该研究仅利用了JADES数据（观测特定方向），并不是针对分布在宇宙各处的全部星系进行的研究，而是只分析了最初就聚集在相似方向上的星系。这一点非常致命。
事实上，当我们谈论宇宙是均匀且各向同性时，这种宇宙学原理是指极其宏观的尺度。对我们而言，星系团听起来非常巨大，但在宇宙学原理所描述的宇宙尺度面前，它只是非常小的结构。在一个星系团内部，其中的星系完全可能共享某种特定的方向性。实际上，2021年的《自然-天文学》期刊就发布了一项研究成果，证明像蜘蛛网一样错综复杂的“宇宙大尺度结构”丝状体（Filaments）也正朝着一个方向旋转。
当时，天文学家利用斯隆数字巡天数据，对属于1万7181个丝状体的21万3625个星系进行了庞大的统计分析。这比此次韦布研究中使用的263个样本量要多得多。简单来说，丝状体可以看作是星系连成的一条长长的圆柱形结构。如果这个丝状体围绕其长轴旋转，那么属于丝状体的半数星系应该表现为向我们靠近，另一半表现为远离。天文学家比较了各星系的相对运动方向和速度，结果惊人地发现，在每个丝状体中，约半数星系远离我们，另一半则在靠近！这种差异非常明显，若假设丝状体不旋转是绝对无法解释的。而且，在末端拥有更厚重星系团的丝状体中，旋转表现得更为强烈。
这表明整个丝状体正在受周围引力场的影响而旋转。当宇宙大尺度结构的丝状体形成时，物质不仅仅是流向这里，还保留了创生初期微小的角动量，并随着物质积累，最终形成了现在清晰旋转的丝状体。
2021年发表的这一发现意味着，如果我们仅仅观察宇宙大尺度结构的一角，确实有可能观测到该区域的星系集体向一个方向旋转的景象。最终，要探讨整个宇宙是否真的具有统一的旋转分量，仅凭一两个星系团或丝状体是无法判断的。必须收集并分析分布在北半球和南半球各处的数百万、数千万个星系，才能做出公平的评价。
在本研究中，作者为了清晰分辨远方星系的旋臂，使用了韦布望远镜的高分辨率图像数据。但韦布望远镜的单次视场非常狭窄，它本来就不是为了像其他巡天项目那样快速扫描整个天空而发射的望远镜。最终，它不可避免地只能分析特定狭窄视场内的星系，这完全有可能会导致该区域的星系看起来似乎具有向一个方向倾斜的方向性。
尽管如此，作者仍在此基础上迈出了一步，提出了大胆的主张：如果宇宙真的整体朝着一个方向旋转，则暗示我们的宇宙是一个被困在巨大黑洞中的世界。
黑洞宇宙论在史蒂芬·霍金年轻时研究黑洞奇点时就开始被讨论。从物理学上看，黑洞的奇点与创生大爆炸的奇点没有区别，因为两者都是极高质量压缩于一点、密度无限大且体积为零的状态。因此，如果无法区分黑洞奇点与大爆炸奇点，就可以认为我们的宇宙也是诞生于某个极其巨大黑洞的奇点。事实上，我们宇宙中的黑洞也在不断吞噬物质扩大规模，而我们的宇宙也一直在膨胀。
此外，黑洞存在“事件视界”这一界限，在此之内发生了什么无从得知，这与我们通过光线所能感知的宇宙边界——“宇宙可观测视界”非常相似。况且，最近一些天文学家甚至主张，加速宇宙膨胀的暗能量可能与分布在宇宙各地星系中心的超大质量黑洞有关，这让人不禁怀疑宇宙整体与黑洞之间是否真的存在某种关联。
宇宙中发现的所有黑洞都在朝着一个方向快速旋转。通过缓慢旋转、扩散开来的恒星和气体云瞬间坍缩成小点而形成的黑洞，在此过程中为了维持角动量会获得极快的自转。如果正如被称为“史瓦西宇宙论”的黑洞宇宙论所言，我们的宇宙也是被囚禁在一个更大黑洞中的世界，那么容纳我们宇宙的那个黑洞也应该在快速旋转，最终我们应该会看到整个宇宙向一个方向旋转的景象。论文作者提到了这种情境可能性，并主张此次发现暗示了黑洞宇宙论。
因为作者在论文中提到的黑洞宇宙论概念过于离经叛道，人们的关注点大多集中于此，但实际上此次研究所用观测数据有着更重要的另一层意义。
近几年，天文学家在宇宙中新发现了长达数十亿光年的巨大结构。比如宇宙尽头多个类星体连接而成的原始丝状体，甚至达到了可观测宇宙近半规模的长条状星系超级结构。这些结构似乎背离了认为宇宙在宏观尺度上应该均匀的现有宇宙学原理。这种超大结构在应用现有标准宇宙学模型的模拟中无法重现。为了解决这一问题，天文学家甚至开始考虑宇宙从诞生之初就可能存在偏向性或偏差的可能性。因此，将此次论文的论点视为对宇宙不均匀性和各向异性的怀疑的延续，会更加合理。
如果真的能证实宇宙整体在向一个方向旋转并具有角动量，那么薇拉·鲁宾将其视为“黑历史”的回忆时刻，或许会被重新评估为历史上第一次谈及宇宙旋转这一真理、超前时代的发现瞬间。就像爱因斯坦曾被评价为“黑历史”的宇宙学常数（兰姆达），最终因暗能量的发现而被重新评价为超前时代的洞察力一样。
“非凡的论点需要非凡的证据。”我不禁再次沉思卡尔·萨根留下的这句话的含义。
参考
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）是谁？他热爱猫和宇宙。童年时期在看了《银河铁道999》后，立志要将宇宙的美丽传播给世人。目前在延世大学星系演化研究中心及近宇宙论实验室研究星系间的相互作用，并通过讲座和写作开展各种科学传播活动。著有《暧昧的天文台》、《终日思考宇宙》、《星，光的科学》等书。