宇宙“DNA”在自转？天文学家发现5.5百万光年的旋转丝状结构

一个比银河系到仙女座星系距离还要长二十倍的超级结构，正在宇宙深处以每小时近40万公里的速度旋转，而它内部排列的14个星系正像串在绳上的珍珠般随之共舞。

星系在自转，地球在自转，太阳系也在旋转——但如果告诉你，一个由十多个星系组成的、长达550万光年的超级结构也在自转，你会怎么想？
2024年初，一组国际天文学家利用南非的MeerKAT射电望远镜阵列，捕捉到了一个颠覆性的现象：一条宇宙丝状结构正在以约110公里/秒的速度旋转，它内部串起的14个星系也呈现出一致的运动模式。
这可能是人类迄今为止观测到的最大旋转物体，它的存在正在挑战我们对宇宙大尺度结构动力学的传统认知。
长久以来，人类眼中的宇宙是一幅宏伟但相对静态的画卷。我们知道宇宙在膨胀，星系在运动，但当视角放大到数百万光年的尺度时，传统理论认为这些超大结构应该是近似静止的，或者只有微弱的无序运动。
宇宙大尺度结构常被比喻为“宇宙网”，它由星系丝、超星系团和巨大的空洞组成，如同海绵的多孔结构。在这个比喻中，星系丝就是连接星系团的“高速公路”，物质沿着这些丝状结构流动，聚集形成更大的天体结构。
天文学家早就观察到单个星系的自转，如我们的银河系每2.5亿年完成一次自转，太阳系绕银河系中心公转的速度更是高达每秒220公里。但一个由多个星系组成的整体结构是否能够旋转，这一直是宇宙学中悬而未决的问题。
暗物质构成了宇宙网的“骨架”，而普通物质（气体和星系）则沿着这些暗物质构成的引力势阱分布和运动。理论上，早期宇宙微小的密度涨落通过引力不稳定性被放大，形成了今天我们看到的大尺度结构。
在这个过程中，角动量是如何产生和传递的，特别是能否在数百万光年的尺度上形成整体旋转，一直是理论研究的难点。
发现这一旋转结构的关键在于观测技术的突破。研究团队利用了南非的MeerKAT射电望远镜阵列，这是目前世界上最灵敏的射电望远镜之一，专门擅长探测中性氢原子发出的21厘米谱线。
中性氢是宇宙中最丰富的元素之一，它发出的微弱射电信号能够穿透星际尘埃，让天文学家“看到”光学望远镜无法观测的气体分布和运动状态。
通过对这条长约550万光年、宽约11.7万光年的丝状结构进行精细观测，研究团队发现了一个惊人的模式：丝状结构两侧的气体呈现出系统性速度差，一侧的气体相对于另一侧有明显的蓝移或红移，这正是整体旋转的典型特征。
进一步的观测表明，沿着这条丝状结构排列的14个富含中性氢的星系，它们的自转轴方向与丝状结构的旋转方向高度相关，有些甚至完全一致。这种“共旋性”强烈暗示了这些星系的旋转并非独立产生，而是与它们所处的大尺度环境密切相关。
为了精确定位这些星系的位置和距离，研究团队还结合了暗能量光谱仪（DESI）和斯隆数字巡天（SDSS） 等项目的观测数据，通过测量星系的红移，确定了它们确实位于同一条物理结构上，而非视线方向上的偶然排列。
想象一下，将我们的银河系缩小到一枚硬币大小。在这个尺度上，这条新发现的旋转丝状结构将长达1.5公里，比北京故宫的中轴线还要长。它内部串起的14个星系，就像在这条巨大旋转绳索上等间距系着的14个发光小球。
虽然110公里/秒的旋转速度听起来并不惊人——仅相当于高铁速度的3倍左右——但考虑到它巨大的尺度，这个结构所携带的角动量是极其惊人的。如果将它缩小到银河系的大小，其旋转速度将远超银河系本身的自转速度。
这种旋转是如何产生的？一种主流理论认为，早期宇宙中的密度扰动不仅导致了结构的形成，还可能通过引力不稳定性产生了涡旋运动。
当物质沿着暗物质构成的丝状结构向节点处聚集时，就像水流向排水口时会自然产生旋转一样，这些物质流可能携带了初始的角动量，最终导致整个结构开始旋转。
另一种可能是，相邻结构之间的引力相互作用，如同潮汐力，给丝状结构施加了一个扭矩，使其开始旋转。这种机制在星系合并过程中很常见，但放大到数百万光年的尺度上是否仍然有效，还需要进一步的理论研究。
这一发现对理解星系自转的起源具有重要意义。传统的星系形成理论认为，星系的角动量主要来源于早期宇宙中的潮汐扭矩，即邻近物质分布的引力不均匀性。
但这一理论难以解释为什么有些星系的旋转轴方向与其所处的大尺度结构方向高度一致。
新发现的旋转丝状结构提供了一个可能的解释：星系可能从它们所处的大尺度环境中继承了部分角动量。如果一条丝状结构本身在旋转，那么沿着它形成的星系自然会受到这种旋转的影响，其自转轴方向很可能与丝状结构的旋转方向对齐。
这一机制也解释了为什么在星系团边缘的星系往往比团中心的星系旋转更快——因为它们更直接地受到大尺度结构动力学的影响。
更进一步，这一发现可能帮助我们理解星系演化的多样性。处于强烈旋转环境中的星系，其气体吸积、恒星形成乃至超大质量黑洞的活动模式，都可能与孤立星系或非旋转环境中的星系有所不同。

当我们谈论宇宙的大尺度结构时，这次发现的旋转丝状结构只是冰山一角。宇宙中还存在许多更为巨大的结构，它们的大小和性质各不相同。
武仙-北冕座长城是目前已知的可能最大的宇宙结构之一，延伸约100亿光年，相当于可观测宇宙直径的约十分之一。它并非一个紧密的物理关联结构，而是由多个超星系团组成的巨大复合体。
“基普”超星系团则是一个相对致密的结构，长约13亿光年，由多个星系团和星系丝组成，形态类似于古代印加人使用的结绳记事工具“基普”，因而得名。
与这些静态或缓慢演化的巨大结构不同，新发现的旋转丝状结构展示了宇宙大尺度结构可能具有的动力学复杂性。
它不是最大的结构，但可能是第一个被确认具有整体旋转的大尺度结构。这一区别很重要——它意味着宇宙的网状结构不仅是物质分布的框架，也可能是宇宙角动量传递和分布的渠道。
下次当你仰望星空，看到的可能不仅是静止的光点，而是一个动态、旋转、充满活力的宇宙，一个正在上演着星系诞生与演化大戏的宏伟舞台。
科学家推测，随着观测数据的积累，类似的结构可能会被发现得越来越多。而这些宇宙丝状体的旋转，可能最终会颠覆我们对于星系为何自转的基本理解。