[비즈한국] 人的性格是遗传的？还是由环境决定的？类似的问题也存在于星系的命运中。
星系从不停歇，不断与临近的邻居星系发生碰撞和相互作用。正如这样，星系诞生后所经历的周边环境因素对星系的命运有着巨大的影响。相比之下，更宏大的宇宙级环境因素似乎不会直接影响星系后续的生活。但事实并非如此！不，正相反，超越单个星系规模的全球性宇宙条件，可能早就注定了每个星系的命运！
我将这种效应称为“宇宙的全球地方性（Glocal）效应”，意指全球规模的宇宙环境最终会影响局部规模的星系命运。这种事是如何发生的呢？时隔许久，我来介绍一下我的最新研究成果。
相较于孤独的星系，我对那些与相邻星系相互作用的星系对更感兴趣。星系间的相互作用会使其外观发生多种变化。典型的例子就是星系盘发生扭曲的“翘曲（Warp）”现象。这种现象在那些星系盘几乎完全横卧的星系中观察得尤为明显。但是，要制造并长期维持星系盘的翘曲，仅凭一次与其它星系的剧烈碰撞是远远不够的。这种瞬间的“火花”无法解释那些历经数亿年依然保持稳定弯曲结构的真实星系翘曲。
因此，天文学家从包围星系的暗物质晕（Halo）中找到了原因。暗物质晕并非单纯地聚集呈美丽的球形，而是像橄榄球一样，在某一轴向上稍显拉长。然而，暗物质晕的轴线并不一定与其中包含的星系盘轴线平行，而是会产生一些偏差和倾斜。与邻近星系的剧烈碰撞也是导致暗物质晕中心轴倾斜的主要原因之一。
暗物质晕符合其宏大的规模，长期持续地对其中的星系盘施加引力影响。多亏于此，一旦弯曲的星系盘不会迅速恢复平坦，从而能够长时间维持弯曲结构。实际上，我们的银河系盘也呈现出像品客薯片一样弯曲的明显S型。据推测，能够长时间维持这种弯曲结构的原因之一，就是包围银河系的暗物质晕相对于银河系轴线略有倾斜，且银河系盘轴在其中进行周期性的进动（Precession）。
这是一个非常有力的假设，但也存在问题。那就是通过普通的光学观测很难捕捉到包围每个星系的暗物质晕。由于暗物质不发光，无论怎么拍摄星系照片都无法看到它。取而代之的是，有一种间接方法可以推断暗物质晕的规模、形态以及其拉伸轴的方向，那就是掌握暗物质晕产生的引力势。并利用围绕在每个星系周围的卫星星系的空间分布作为线索。
在本次研究中，我挑选出了星系盘表现出明显翘曲结构的星系。翘曲根据形状大致可分为两种：两侧末端向相反方向弯曲的“S型翘曲”，以及向同一方向弯曲、看起来像碗一样的“U型翘曲”。并找出了这些翘曲星系周围被俘获的轻型卫星星系，分析了它们的分布方式。
结果发现，与没有翘曲、盘面平坦的星系相比，表现出翘曲的星系中，卫星星系的分布确实呈现出拉长且不圆的状态。这意味着具有翘曲的星系生活在橄榄球形状的暗物质晕中。这成为了“倾斜的暗物质晕引力势是长期维持星系翘曲的秘密”这一假设的有力证据。
如果将星系与宇宙大尺度结构长丝（Filament）之间的距离，以及最近的长丝流向进行对比，会发现更有趣的事实。包围星系的暗物质晕轴向并非随机分布。归根结底，这是因为各个星系是随着沿宇宙大尺度结构长丝汇集的物质聚集而形成的。
有趣的是，根据翘曲形状的不同，暗物质晕相对于长丝的排列方式表现出显著差异。对于表现出S型翘曲的星系，其暗物质晕几乎与临近的长丝平行排列。换句话说，在沿长丝流动而排列的暗物质晕中形成的星系，会展现出S型翘曲。相反，U型翘曲星系的暗物质晕轴线几乎与临近长丝垂直排列。在脱离长丝流向、向垂直方向形成的暗物质晕区域，星系会产生更不稳定的U型翘曲。
这一发现相当令人兴奋，因为人们长期以来一直认为，翘曲的形状是由邻近星系以什么方向、多大的力度靠近，即星系间相互作用产生的微小差异所决定的。然而，观察以往的星系碰撞模拟，大多数能很好地重现稳定的S型翘曲，却难以重现U型翘曲，即便偶尔重现，也无法长时间维持。因此，在现实宇宙中频繁发现的U型翘曲的存在，至今尚未得到完美解释。
然而，这项研究显示，翘曲的形状可能不是仅仅由与邻近星系碰撞瞬间决定的琐碎问题（后天性质），而是先天注定的命运。这表明，星系的形状可能取决于它诞生于相对于临近长丝以何种方式排列的暗物质晕中。这为我一直怀疑的所谓“宇宙的全球地方性（Glocal）效应”提供了重要线索。
当宇宙大尺度结构的长丝形成时，气体物质和暗物质会沿着长丝快速流入。在此过程中，周边暗物质晕的排列状态得以确定，并在其中诞生了各个星系，从而最终决定了星系的命运。通过暗物质晕这一重要的中间环节作为媒介，在数Mpc（百万秒差距）规模的宇宙大尺度结构中发生的效应，最终影响了生活在其中数kpc（千秒差距）规模的单个星系的命运！
不过，由于目前仅在盘面弯曲的翘曲星系这一限制条件下被发现，未来还需要对更多样、更广泛的星系进行系统性的追加验证。我计划通过包括星系形态、化学、动力学演化在内的多种层面，继续深入分析宇宙的全球地方性效应是否真的在运作，以及单个星系的命运是否确实取决于很久以前形成的宇宙大尺度结构长丝。
参考
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae0e13
作者Ji Woong-bae是谁？热爱猫咪与宇宙。儿时在看过《银河铁道999》后，立下了向世人宣传宇宙之美的梦想。目前作为世宗大学自由专业学部助理教授，参与演讲、写作等多种科学传播活动。著有《每天一片宇宙》、《星光璀璨的宇宙科学家们》、《虽然无法到达但可以了解》、《看到宇宙就会想到的奇怪问题》等书籍，并翻译了《给真正宇宙旅行者的搭车指南》、《我为何杀了冥王星》、《量子生活》、《宇宙图形》等作品。