[비즈한국] 宇宙在旋转。行星在旋转，恒星在旋转，星系也在旋转。那么，由多个星系聚集而成的更宏大的结构是否也会旋转呢？最近，天文学家发现了迄今为止已知规模最大的旋转宇宙大尺度结构。一个长达5000万光年的宇宙大尺度结构纤维，看起来正在整体旋转！
位于南非沙漠中的MeerKAT射电望远镜阵列对准了宇宙的一角。这项研究是MIGHTEE观测项目的一部分，该项目利用64台射电望远镜协同工作，通过扫描天空来绘制远方宇宙的星系地图。射电波在观测星系内部包含的新鲜氢气方面表现卓越。氢气含量展示了星系未来还能孕育多少新恒星。在距离约1.4亿光年远的地方，研究人员发现了14个富含氢气的星系。有趣的是，这些星系并非杂乱无章地散落在宇宙空间中，而是连成了一条长约550万光年的细长结构。
但这还不是全部。这14个连成一线的星系，实际上是规模更为巨大的宇宙大尺度结构纤维（filament）的一部分。该纤维在之前通过可见光观测确定的星系地图中已清晰可见。这条由约280个星系串联而成的巨大纤维，长度达到了5000万光年。
宇宙大尺度结构的纤维也被称为“星系高速公路”。宇宙诞生之初，原始密度存在着微小的涨落。物质从四面八方迅速向重力稍强的区域汇聚，形成了连接的纤维。沿着这些宇宙高速公路，大量的气体和暗物质不断聚拢，随着时间的推移，星系就在其中逐一孕育而生。由于纤维相互交织如同巨大的网，因此也被称为“宇宙网（Cosmic Web）”。当今许多超高分辨率的宇宙学模拟实验，都非常完美地再现了宇宙网的形成过程。
此次发现的纤维之所以特别，不仅是因为它的巨大，还在于这条粗壮细长的纤维正在整体旋转！利用射电波进行的氢气观测，能更准确地判断每个星系的旋转速度和方向。随着星系盘的旋转，其中一半向我们靠近，另一半则远离我们，从而产生多普勒效应，即一半发生蓝移，另一半发生红移。利用这一点，天文学家发现这14个星系的旋转轴与其所在的巨大气体纤维方向惊人地保持平行。
这一结果在常规模拟实验中很难通过普通纤维观测到。通常模拟假设在没有外部作用力的情况下，仅靠重力聚拢物质并孕育星系，星系内部的旋转方向没有理由表现出特定的倾向性，应该呈现随机分布。然而，此次发现的结构中，星系的旋转轴沿着纤维方向表现出了近乎完美的平行排列。
这意味着在星系诞生时，还存在着受纤维方向显著影响的额外效应。如果气体物质沿着纤维方向流入，并在气流中孕育星系，那么星系的旋转轴就会呈现出如此一致的排列。
更令人惊奇的是，不仅是纤维内的各个星系在旋转，连这条纤维本身也在整体旋转。天文学家进一步分析了纤维内所有星系的相对运动。结果显示，沿着细长的纤维，一半星系向远离纤维的方向移动，另一半则向靠近的方向移动。整个纤维正以110km/s的惊人速度旋转。这一速度与目前正快速冲向彼此的银河系和仙女座星系的相对速度相当。一个长达5000万光年的巨大厚重纤维，即宇宙大尺度结构的一根丝线，竟然正以两个即将发生碰撞的星系般的高速在旋转！这是迄今为止发现的最长、最巨大的宇宙旋转结构。
此次确认的纤维之所以表现出尤为明显的旋转特征，可能是因为它处于相对年轻的演化阶段。这条纤维中居住着许多富含恒星燃料（氢气）的星系，且内部动力学并不复杂，呈现出一致的自旋，在动力学上可以被视为“冷”状态。换言之，在宇宙大尺度结构形成和纤维连接的过程中，它是一个“刚刚形成”的年轻纤维。因此，沿着刚开通的星系高速公路，气流的影响依然强烈，其中孕育的星系也清晰地共享着平行的自旋方向。
这一发现比以往更明确地展示了宇宙大尺度结构形成的具体过程以及星系在其内部是如何诞生的。就像通过观察正在孕育新恒星的年轻星云来理解恒星诞生一样，我们通过观察偶然发现的相对年轻的宇宙网，理解了宇宙大尺度结构的诞生。这是一个曾经只能通过模拟推测，如今却正在连接、成形的宇宙网现场。
此外，我们也再次意识到，我们的宇宙并非一个已经完成所有演化过程的成熟世界。只要细心观察，宇宙各处依然隐藏着许多正在创造新结构的场所，甚至包括长达5000万光年的巨大宇宙网。虽然初看之下，宇宙仿佛是一个演化终结、在缓慢冷却中等待死亡的无聊世界，但它从未停止塑造自身的新面貌和新结构。
这一发现将对利用近期投入使用的薇拉·鲁宾天文台（Vera C. Rubin Observatory）和DESI观测项目，从立体层面掌握遍布全宇宙的庞大星系地图，并完善和理解真实的宇宙大尺度结构地图大有裨益。我们的宇宙就像一张巨大的网，所有星系沿着细长的纤维交织在一起。而现在，我们甚至知道了每一根纤维丝线都在边扭曲边旋转。
不久之后，我们将不再仅仅拥有展示星系静态连接空间的宇宙大尺度结构地图，而是能完成一份包含每条纤维旋转速度和扭曲程度的、更宏大的动态地图。就像观察模拟宇宙中物质聚拢、骨架显现的过程一样，我们现在可以将这些惊人的景象投射到真实的宇宙中去描绘和想象。
参考
https://academic.oup.com/mnras/article/544/4/4306/8363602?login=false
作者Ji Ung-bae是？热爱猫咪与宇宙。儿时在看过《银河铁道999》后，立志传播宇宙之美。目前担任世宗大学自由专业学部助理教授，积极从事讲座、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》、《无法到达却能了解》、《仰望宇宙时想到的奇怪问题》等书，并翻译了《给真正太空旅行者的搭车指南》、《我为何终结了冥王星》、《量子生活》、《Cosmigraphics》等作品。