宇宙“DNA”在自轉？天文學家發現5.5百萬光年的旋轉絲狀結構

一個比銀河系到仙女座星系距離還要長二十倍的超級結構，正在宇宙深處以每小時近40萬公里的速度旋轉，而它內部排列的14個星系正像串在繩上的珍珠般隨之共舞。

星系在自轉，地球在自轉，太陽系也在旋轉——但如果告訴你，一個由十多個星系組成的、長達550萬光年的超級結構也在自轉，你會怎么想？
2024年初，一組國際天文學家利用南非的MeerKAT射電望遠鏡陣列，捕捉到了一個顛覆性的現象：一條宇宙絲狀結構正在以約110公里/秒的速度旋轉，它內部串起的14個星系也呈現出一致的運動模式。
這可能是人類迄今為止觀測到的最大旋轉物體，它的存在正在挑戰我們對宇宙大尺度結構動力學的傳統認知。
長久以來，人類眼中的宇宙是一幅宏偉但相對靜態的畫卷。我們知道宇宙在膨脹，星系在運動，但當視角放大到數百萬光年的尺度時，傳統理論認為這些超大結構應該是近似靜止的，或者只有微弱的無序運動。
宇宙大尺度結構常被比喻為“宇宙網”，它由星系絲、超星系團和巨大的空洞組成，如同海綿的多孔結構。在這個比喻中，星系絲就是連接星系團的“高速公路”，物質沿著這些絲狀結構流動，聚集形成更大的天體結構。
天文學家早就觀察到單個星系的自轉，如我們的銀河系每2.5億年完成一次自轉，太陽系繞銀河系中心公轉的速度更是高達每秒220公里。但一個由多個星系組成的整體結構是否能夠旋轉，這一直是宇宙學中懸而未決的問題。
暗物質構成了宇宙網的“骨架”，而普通物質（氣體和星系）則沿著這些暗物質構成的引力勢阱分布和運動。理論上，早期宇宙微小的密度漲落通過引力不穩定性被放大，形成了今天我們看到的大尺度結構。
在這個過程中，角動量是如何產生和傳遞的，特別是能否在數百萬光年的尺度上形成整體旋轉，一直是理論研究的難點。
發現這一旋轉結構的關鍵在于觀測技術的突破。研究團隊利用了南非的MeerKAT射電望遠鏡陣列，這是目前世界上最靈敏的射電望遠鏡之一，專門擅長探測中性氫原子發出的21厘米譜線。
中性氫是宇宙中最豐富的元素之一，它發出的微弱射電信號能夠穿透星際塵埃，讓天文學家“看到”光學望遠鏡無法觀測的氣體分布和運動狀態。
通過對這條長約550萬光年、寬約11.7萬光年的絲狀結構進行精細觀測，研究團隊發現了一個驚人的模式：絲狀結構兩側的氣體呈現出系統性速度差，一側的氣體相對于另一側有明顯的藍移或紅移，這正是整體旋轉的典型特征。
進一步的觀測表明，沿著這條絲狀結構排列的14個富含中性氫的星系，它們的自轉軸方向與絲狀結構的旋轉方向高度相關，有些甚至完全一致。這種“共旋性”強烈暗示了這些星系的旋轉并非獨立產生，而是與它們所處的大尺度環境密切相關。
為了精確定位這些星系的位置和距離，研究團隊還結合了暗能量光譜儀（DESI）和斯隆數字巡天（SDSS） 等項目的觀測數據，通過測量星系的紅移，確定了它們確實位于同一條物理結構上，而非視線方向上的偶然排列。
想象一下，將我們的銀河系縮小到一枚硬幣大小。在這個尺度上，這條新發現的旋轉絲狀結構將長達1.5公里，比北京故宮的中軸線還要長。它內部串起的14個星系，就像在這條巨大旋轉繩索上等間距系著的14個發光小球。
雖然110公里/秒的旋轉速度聽起來并不驚人——僅相當于高鐵速度的3倍左右——但考慮到它巨大的尺度，這個結構所攜帶的角動量是極其驚人的。如果將它縮小到銀河系的大小，其旋轉速度將遠超銀河系本身的自轉速度。
這種旋轉是如何產生的？一種主流理論認為，早期宇宙中的密度擾動不僅導致了結構的形成，還可能通過引力不穩定性產生了渦旋運動。
當物質沿著暗物質構成的絲狀結構向節點處聚集時，就像水流向排水口時會自然產生旋轉一樣，這些物質流可能攜帶了初始的角動量，最終導致整個結構開始旋轉。
另一種可能是，相鄰結構之間的引力相互作用，如同潮汐力，給絲狀結構施加了一個扭矩，使其開始旋轉。這種機制在星系合并過程中很常見，但放大到數百萬光年的尺度上是否仍然有效，還需要進一步的理論研究。
這一發現對理解星系自轉的起源具有重要意義。傳統的星系形成理論認為，星系的角動量主要來源于早期宇宙中的潮汐扭矩，即鄰近物質分布的引力不均勻性。
但這一理論難以解釋為什么有些星系的旋轉軸方向與其所處的大尺度結構方向高度一致。
新發現的旋轉絲狀結構提供了一個可能的解釋：星系可能從它們所處的大尺度環境中繼承了部分角動量。如果一條絲狀結構本身在旋轉，那么沿著它形成的星系自然會受到這種旋轉的影響，其自轉軸方向很可能與絲狀結構的旋轉方向對齊。
這一機制也解釋了為什么在星系團邊緣的星系往往比團中心的星系旋轉更快——因為它們更直接地受到大尺度結構動力學的影響。
更進一步，這一發現可能幫助我們理解星系演化的多樣性。處于強烈旋轉環境中的星系，其氣體吸積、恒星形成乃至超大質量黑洞的活動模式，都可能與孤立星系或非旋轉環境中的星系有所不同。

當我們談論宇宙的大尺度結構時，這次發現的旋轉絲狀結構只是冰山一角。宇宙中還存在許多更為巨大的結構，它們的大小和性質各不相同。
武仙-北冕座長城是目前已知的可能最大的宇宙結構之一，延伸約100億光年，相當于可觀測宇宙直徑的約十分之一。它并非一個緊密的物理關聯結構，而是由多個超星系團組成的巨大復合體。
“基普”超星系團則是一個相對致密的結構，長約13億光年，由多個星系團和星系絲組成，形態類似于古代印加人使用的結繩記事工具“基普”，因而得名。
與這些靜態或緩慢演化的巨大結構不同，新發現的旋轉絲狀結構展示了宇宙大尺度結構可能具有的動力學復雜性。
它不是最大的結構，但可能是第一個被確認具有整體旋轉的大尺度結構。這一區別很重要——它意味著宇宙的網狀結構不僅是物質分布的框架，也可能是宇宙角動量傳遞和分布的渠道。
下次當你仰望星空，看到的可能不僅是靜止的光點，而是一個動態、旋轉、充滿活力的宇宙，一個正在上演著星系誕生與演化大戲的宏偉舞臺。
科學家推測，隨著觀測數據的積累，類似的結構可能會被發現得越來越多。而這些宇宙絲狀體的旋轉，可能最終會顛覆我們對于星系為何自轉的基本理解。