中外天文學家團隊在宇宙大尺度結構研究中取得進展

由來自德國波茨坦天體物理研究所（Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam），中國科學院紫金山天文台和上海天文台、愛莎尼亞塔圖天文台（Tartu Observatory）的天體物理家參與的中、德國際合作，在宇宙網絡結構對星系性質的影響研究項目取得重要進展。 項目天文學家利用史隆數碼化巡天（Sloan Digital Sky Survey）數據，分析宇宙大尺度纖維狀結構（Cosmic Filaments）中星系的動力學特性，首次發現宇宙大尺度纖維狀結構的旋轉訊號，顯示角動量可以在前所未有的尺度上產生。

宇宙大尺度結構中一個顯著結構是纖維狀結構（Filaments），是一種由眾多星系和暗物質組成細長結構。 它們的末端往往連接著星系團結構。 因此這纖維狀結構可以看作是宇宙中物質傳輸的高速公路。波茨坦天體物理研究所博士後研究員王鵬說：「儘管這些細圓柱體（與鉛筆的結構相似）長數億光年，但直徑只有幾百萬光年的宇宙高速公路會旋轉！」諾姆·黎得斯金（Noam Libeskind）補充說：「這種轉動以前從未在如此巨大的尺度上出現過，這意味著一定有一種至今未知的物理機制負責扭轉 這些高速公路。」

在宇宙學背景下，如何產生角動量是宇宙學尚未解決的關鍵問題之一。 在結構形成的標準模型中，當物質從低密度區域流向高密度區域時，早期宇宙中存在小的高密度區域通過重力不穩定性增長。這種流動是無旋轉的或無捲曲，因為早期宇宙中沒有原始自轉。 因此，任何旋轉都必須在結構形式的過程中產生。宇宙網，特別是纖維狀結構，與星系的形成和演化密切相關。 它們對星系自轉也有很強的影響，經常調節著星系及其暗物質暈旋轉的方向。然而，目前對結構形成的理解是否預測纖維狀結構本身是否應該也在旋轉，尚不明確。

愛沙尼亞塔爾圖天文台的艾姆·譚普（Elmo Tempel）教授的研究團隊通過使用複雜的映射方法，從星系分佈找尋到纖維狀結構。 每根纖維狀結構近似於一個圓柱體，其中的星系分佈在纖維結構軸心的兩側。 中、德天文學家團隊利用這個方法仔細測量兩側之間星系的平均紅移差異，發現其中一側總是表現出遠離觀測者的紅移，而另外一側是靠近觀察者的藍移。 顯示，纖維結構與旋轉一致的清晰訊號。

宇宙中星系的運動伴隨著更大規模的物質流動。質量流和速度流通常以分層方式傳輸。 首先，物質坍縮成薄片狀結構，形成巨大的宇宙牆。然後物質在此平面中流動以形成纖維結構。在最後階段，物質坍塌並沿著細纖維狀結構軸向流動以形成團塊結構。 康熙教授說：「在這種質量流模型下，人們可能會期望在第二階段形成纖維狀結構的自旋。 換句話說，我們預計沿著纖維狀結構的運動仍然是線性的，而垂直於纖維狀結構軸向的運動是非線性的。」團隊核心成員之一，來自上海天文台的郭銓研究員解釋。

王鵬補充說：「居住在星系團區域的星系吸積到連接兩個星系團的纖維狀結構上，然後沿著這條高速公路運動。假設纖維狀結構可以近似為圓柱形，這樣的流動自然會引起繞著纖維狀結構軸的旋轉，因此星系整體的運動呈現螺旋狀。 」

【圖：波茨坦天體物理研究所；文：節錄自中國科學院上海天文台網頁；新聞資訊由林景明提供】研究全文刊登在2021年6月14日出版的《自然-天文學》期刊