玩轉(zhuǎn)十億光年的超級鉛筆

許多人在中學(xué)時代都練習(xí)過一項(xiàng)特殊技能——轉(zhuǎn)筆！轉(zhuǎn)筆玩家們也許并不知道：轉(zhuǎn)筆游戲考驗(yàn)的是玩家如何心手相應(yīng)地把握筆桿在轉(zhuǎn)動過程中的角動量變化。殊不知，對于如何轉(zhuǎn)筆這件“小”事，我們的宇宙才是超級玩家。

無處不在的角動量

在了解宇宙是如何玩轉(zhuǎn)角動量之前，讓我們先從不同的尺度上認(rèn)識一下這位玩家。圖中展示的是幾個典型的天體尺度：從小到大依次是地球和月球組成的地月系統(tǒng)，尺度大約在40萬千米；由太陽主導(dǎo)，行星、小行星及所屬衛(wèi)星等共同組成的太陽系，如果將奧爾特云也算在內(nèi)的話，尺度約在一光年（即大約9.46×1012千米）；而太陽系只是銀河系的普通一員，銀河系由近2000億顆恒星組成，尺度約在十萬光年；數(shù)百乃至數(shù)千個星系聚集成為星系團(tuán)，它們的尺度可以達(dá)到幾百萬光年。

天文學(xué)尺度從小到大：地月系統(tǒng)（約40萬千米），太陽系（約一光年），銀河系（約十萬光年），星系團(tuán)（百萬光年），宇宙大尺度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（數(shù)億光年）▏素材來源：網(wǎng)絡(luò)；圖片制作：作者

根據(jù)現(xiàn)有的觀測，這些不同尺度的系統(tǒng)都被宇宙“賦予”了角動量：月球自轉(zhuǎn)的同時圍繞地球公轉(zhuǎn)，地球本身也有自轉(zhuǎn)，地月系統(tǒng)和其他行星都圍繞太陽公轉(zhuǎn)，太陽則帶領(lǐng)它的一群小迷弟小迷妹們圍繞銀河系中心做周期2.2億年的公轉(zhuǎn)運(yùn)動，由星系組成的星系團(tuán)也具有較慢的整體轉(zhuǎn)動。由此可見，角動量是宇宙中各級結(jié)構(gòu)的普遍屬性。宇宙在各種尺度上玩轉(zhuǎn)角動量，可以算作是超級玩家。

比星系團(tuán)更大的尺度上，宇宙的物質(zhì)分布呈現(xiàn)出網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，天文學(xué)家稱之為宇宙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（Cosmic Web），這些結(jié)構(gòu)的大小甚至可達(dá)數(shù)億光年。宇宙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中最為壯觀的應(yīng)該算是纖維狀結(jié)構(gòu)（Filament），又稱作細(xì)絲結(jié)構(gòu)。顧名思義，細(xì)絲結(jié)構(gòu)的特征是比較細(xì)長，像一支橫臥在宇宙中的巨型“鉛筆”。比如著名的斯隆長城（Sloan Great Wall），就是一條長達(dá)13.8億光年的細(xì)絲結(jié)構(gòu)。令研究人員感到好奇的是，既然宇宙在前四種尺度上都能得心應(yīng)手地玩轉(zhuǎn)角動量，那么在宇宙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的尺度上是否也有驚人表現(xiàn)呢？

細(xì)絲結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)

宇宙只是在各個尺度上默默地玩它的角動量，而研究人員為了證明其“王者”的地位忙得焦頭爛額。

為了探究細(xì)絲本身是否轉(zhuǎn)動，研究人員動用了著名的大樣本巡天星系數(shù)據(jù)：斯隆數(shù)字巡天（Sloan Digital Sky Survey）。研究人員首先從斯隆數(shù)據(jù)庫中提取了幾百萬個星系樣本，利用一種叫做Bisous的識別算法從中尋找細(xì)絲結(jié)構(gòu)。之后經(jīng)過重重篩選，認(rèn)定出了大約17800余根細(xì)絲結(jié)構(gòu)以及組成它們的21萬個星系。

接下來一個棘手的困難是：如何測量這些細(xì)絲結(jié)構(gòu)的角動量？這是一次全新的嘗試，通常的方法很可能行不通。研究人員經(jīng)過大量的文獻(xiàn)調(diào)研和多次的腦力風(fēng)暴，最后從測量旋渦星系旋轉(zhuǎn)的方法上獲得了一些靈感：對于一個側(cè)向（即盤面和視線方向平行）的旋渦星系，觀測者可以利用多普勒效應(yīng)測量盤兩側(cè)的恒星相對于整體的運(yùn)動。盤面右側(cè)的恒星遠(yuǎn)離觀測者（向屏幕內(nèi)運(yùn)動），表現(xiàn)出譜線的紅移；而盤面左側(cè)的恒星靠近觀察者（向屏幕外運(yùn)動），表現(xiàn)出譜線的藍(lán)移。綜合來看，我們就能判斷出整個星系在逆時針旋轉(zhuǎn)。

側(cè)向旋渦星系旋轉(zhuǎn)的測量示意圖。通過分別測量星系兩側(cè)恒星相對于星系整體的紅移差，從而來判斷星系的旋轉(zhuǎn)。▏圖源：https://astronomy.com

仿照這套方法，研究人員構(gòu)建了細(xì)絲的旋轉(zhuǎn)模型，在一根理想化的細(xì)絲中包含了6個星系，分別被劃分在A和B兩個區(qū)域（類似于旋渦星系的左右兩側(cè)）。如果能測量出A, B區(qū)域星系相對于細(xì)絲整體的運(yùn)動差異——即一邊遠(yuǎn)離另一邊靠近，則表明細(xì)絲有旋轉(zhuǎn)。需要提及的是，這里討論的細(xì)絲是沿著軸向轉(zhuǎn)動（箭頭所示），而人們通常的轉(zhuǎn)筆大多是沿著垂直于筆桿的方向轉(zhuǎn)動。不過，正在進(jìn)行的研究表明，細(xì)絲也有和轉(zhuǎn)筆相同模式的轉(zhuǎn)動。

纖維結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)的示意圖。圓柱體表示為理想狀態(tài)下的纖維狀結(jié)構(gòu)，其中包含6個星系。▏圖源 ：Roan Hagger/Abstrobites，作者修改。

許多物理過程都可以看作隨機(jī)過程的組合，科學(xué)家的工作正是從紛亂的隨機(jī)過程中抽絲剝繭，提取出內(nèi)在的規(guī)律。測量細(xì)絲旋轉(zhuǎn)這件事也是如此，通俗來說，測量得到的原始數(shù)據(jù)可能摻雜了許多的隨機(jī)過程，難以提煉出真實(shí)可信的信號。這就需要研究人員做大量的隨機(jī)測試，來驗(yàn)證信號偏離隨機(jī)過程的程度。偏離越遠(yuǎn)，則表明測量的信號越真實(shí)可信。為此，研究人員采用了兩種不同的隨機(jī)測試方法，一種是讓星系隨機(jī)分布，另外一種是讓細(xì)絲隨機(jī)分布。借助于高性能計(jì)算機(jī)，研究人員對每一根細(xì)絲都進(jìn)行了1萬次隨機(jī)模擬，模擬總數(shù)超過了十億次。

從觀測中測量得到的細(xì)絲旋轉(zhuǎn)信號（紅色實(shí)線）與從隨機(jī)模擬中得到的信號（灰色和黑色實(shí)線）的對比。橫坐標(biāo)表示細(xì)絲兩側(cè)中星系紅移的差值，縱坐標(biāo)表示累積數(shù)目。[1]

通過對比觀測中得到的細(xì)絲旋轉(zhuǎn)信號與從隨機(jī)模擬中得到的信號，研究人員發(fā)現(xiàn)，對于所有細(xì)絲而言，真實(shí)觀測中得到的信號是遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離（大約40σ）隨機(jī)模擬信號的。這表明測量到的信號真實(shí)可靠。換句話說，宇宙把這17800根“超級鉛筆”都轉(zhuǎn)得“挺6”。

這激發(fā)起研究人員更大的好奇心：能否定量地研究單根細(xì)絲的旋轉(zhuǎn)呢？

研究人員進(jìn)一步分析了每根細(xì)絲的旋轉(zhuǎn)信號，發(fā)現(xiàn)相對于隨機(jī)模擬測試，有些細(xì)絲的信號強(qiáng)，有些信號弱。這取決于細(xì)絲本身的“溫度”：溫度越低，信號越強(qiáng)，溫度越高，信號越弱。這里的“溫度”刻畫的是組成細(xì)絲的星系運(yùn)動的混亂程度，“溫度”越高，混亂程度也越高。

溫度越低，細(xì)絲的旋轉(zhuǎn)信號越強(qiáng)，溫度越高，信號越弱。橫坐標(biāo)表示細(xì)絲的“溫度”，縱坐標(biāo)表示細(xì)絲轉(zhuǎn)動的置信度。[1]

下圖是本次工作最重要的一張圖，它展示了所有17800多根細(xì)絲結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)曲線的疊加。其中，縱軸是細(xì)絲的轉(zhuǎn)動速度，橫軸是它們到細(xì)絲軸心的距離?？梢苑浅Ｃ黠@的看出，曲線整體呈現(xiàn)出倒睡的“S”型。旋轉(zhuǎn)速度從軸心處開始增加，到大約1 Mpc（約326萬光年）處達(dá)到峰值，隨后逐漸減少，在峰值約兩倍的地方減少到0。這兩個距離具體意味著什么，仍然有待進(jìn)一步的科學(xué)研究。

由一萬七千多個細(xì)絲樣本疊加得到的平均旋轉(zhuǎn)曲線。細(xì)絲的一側(cè)總是遠(yuǎn)離觀測者，另一側(cè)總是靠近觀測者。[1]

宇宙為啥要“轉(zhuǎn)筆”，什么時候開始轉(zhuǎn)的？

根據(jù)現(xiàn)有理論，在宇宙的形成之初，所有物質(zhì)均勻分布，像是一鍋粥，幾乎沒有轉(zhuǎn)動。因此，所有天體的轉(zhuǎn)動只能在宇宙的各級結(jié)構(gòu)形成中產(chǎn)生。各種尺度的天體如何獲得角動量，一直是天文學(xué)上懸而未決的問題。在星系方面，一個比較流行的解釋是潮汐扭矩理論（Tidal Tensor Theory），由著名的天體物理學(xué)家詹姆斯·皮布爾斯（James Peebles）、西蒙·懷特（Simon White）等提出。該理論的主要思想是，形成星系的物質(zhì)在宇宙早期由于微小的不均勻性所導(dǎo)致的潮汐扭矩力，是星系開始轉(zhuǎn)動的原因。

在宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成中，澤爾多維奇（Zel'Dovich）的近似理論描繪了一幅宇宙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成的直觀圖像：一團(tuán)物質(zhì)的分布中微小的不均勻性會引發(fā)物質(zhì)在萬有引力作用下的塌縮?？傆幸粋€方向最先完成塌縮，這使得擾動區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)被攤成一張“薄餅”。隨后，“薄餅”面上的某個方向完成了塌縮形成細(xì)絲結(jié)構(gòu)。最后，細(xì)絲結(jié)構(gòu)也完成塌縮，形成前文提到的星系團(tuán)。研究人員據(jù)此猜測，細(xì)絲也許是在“薄餅”塌縮的過程中轉(zhuǎn)動起來的。

需要說明的是，上述的三個塌縮過程并非依次進(jìn)行，而是同時發(fā)生，只不過快慢不同。因此，細(xì)絲的兩端一般會與一個或者兩個星系團(tuán)相接。研究人員比較了不同細(xì)絲兩端的星系團(tuán)質(zhì)量發(fā)現(xiàn)，連接較大質(zhì)量星系團(tuán)的細(xì)絲旋轉(zhuǎn)信號也更強(qiáng)，猜測其原因可能是大質(zhì)量的星系團(tuán)對細(xì)絲具有更強(qiáng)的潮汐扭矩作用。

細(xì)絲兩端的星系團(tuán)質(zhì)量對細(xì)絲旋轉(zhuǎn)信號的影響：左圖是連接小質(zhì)量星系團(tuán)的細(xì)絲信號，置信度較低；右圖是連接大質(zhì)量星系團(tuán)的細(xì)絲信號，置信度較高。[1]

由星系組成的細(xì)絲結(jié)構(gòu)，可以看作是星系通往星系團(tuán)的“高速公路”，深刻地影響著星系的形成和演化。解開細(xì)絲轉(zhuǎn)動的奧秘，不僅能幫助人們認(rèn)識和理解這些宇宙中最大尺度的結(jié)構(gòu)是如何形成與演化的，同時，也對星系形成的研究有啟發(fā)作用。

終有一天，我們將揭開“宇宙轉(zhuǎn)筆”的神秘面紗。

參考文獻(xiàn)：

1. Wang, P., Libeskind, N. I., Tempel, E., Kang, X., and Guo, Q., “Possible observational evidence for cosmic filament spin”,Nature Astronomy, 2021. doi:10.1038/s41550-021-01380-6.

2. Tempel, E., Stoica, R. S., Kipper, R., and Saar, E., “Bisous model-Detecting filamentary patterns in point processes”, Astronomy and Computing, vol. 16, pp. 17–25, 2016. doi:10.1016/j.ascom.2016.03.004.

3. Tempel, E., Tuvikene, T., Kipper, R., and Libeskind, N. I., “Merging groups and clusters of galaxies from the SDSS data. The catalogue of groups and potentially merging systems”, Astronomy and Astrophysics, vol. 602, 2017. doi:10.1051/0004-6361/201730499.

封面圖源：

AIP/ A. Khalatyan/ J. Fohlmeister

作者簡介

王 鵬

天文學(xué)博士，畢業(yè)于中國科學(xué)院紫金山天文臺，現(xiàn)于德國波茨坦天文物理研究所從事博士后研究。研究方向?yàn)橛钪娲蟪叨冉Y(jié)構(gòu)和星系形成。

校對：陳厚尊

輪值主編：張旸

制作、編輯：王科超