近日，由来自德国波茨坦天体物理研究所（AIP），中国科学院紫金山天文台（PMO）和上海天文台（SHAO）、爱莎尼亚塔尔图天文台（Tartu Observatory）的天体物理家们参与的中德国际合作项目“宇宙网络结构对星系性质的影响”取得重要进展。项目科学家利用斯隆星系巡天（SDSS）数据，分析了宇宙大尺度纤维状结构（Cosmic Filaments）中星系的动力学特性，首次发现了宇宙大尺度纤维状结构的旋转信号，表明角动量可以在前所未有的尺度上产生，相应成果发表在《自然·天文学》杂志上。

　　宇宙大尺度结构中一个显著结构是纤维状结构（Filaments），是一种由众多星系和暗物质组成细长结构。它们的末端往往连接着星系团结构。因此这纤维状结构可以看作是宇宙中物质传输的“高速公路”。文章第一作者及通讯作者王鹏（AIP）说：“尽管这些‘细’圆柱体——与铅笔的结构相似——长数亿光年，但直径只有几百万光年的‘宇宙高速公路’会旋转!”中德合作项目德方负责人Noam Libeskind (AIP) 补充道：“这种转动以前从未在如此巨大的尺度上出现过，这意味着一定有一种迄今未知的物理机制负责扭转这些高速公路。”

图1，左图：宇宙网中四种大尺度结构示意图：团块（Knots/Cluster/Nodes），细丝（Filaments），片状(Walls/Sheets)，空洞(Voids)，其中细长的为宇宙纤维状结构。右图：星系和物质沿着宇宙大尺度纤维状结构（Cosmic Filaments）做螺旋运动示意图。

右图来源: AIP/ A. Khalatyan/ J. Fohlmeister

　　在宇宙学背景下，如何产生角动量是宇宙学尚未解决的关键问题之一。在结构形成的标准模型中，当物质从低密度区域流向高密度区域时，早期宇宙中存在的小的高密度区域通过重力不稳定性增长。这种流动是无旋的或无卷曲的——早期宇宙中没有原始自转。因此，任何旋转都必须在结构形式的过程中产生。宇宙网，特别是纤维状结构，与星系的形成和演化密切相关。它们对星系自旋也有很强的影响，经常调节着星系及其暗物质晕旋转的方向。然而，目前对结构形成的理解是否预测纤维状结构本身是否应该也在旋转，尚不明确。爱沙尼亚塔尔图天文的Elmo Tempel教授的研究团队通过使用复杂的映射方法，从星系分布找寻到纤维状结构。每根纤维状结构近似于一个圆柱体，其中的星系分布在纤维结构轴心的两侧。中德科学家团队利用这个方法仔细测量了两侧之间星系的平均红移差异，发现其中一侧总是表现出远离观测者的红移，而另外一侧是靠近观察者的蓝移。这表明，纤维结构显示出与旋转一致的清晰信号。

图2，宇宙纤维状结构（Filament）的旋转曲线。红线表示远离观测者的一侧，蓝线表示靠近观测者的一侧。

　　“宇宙中星系的运动伴随着更大规模的物质流动。质量流和速度流通常以分层方式传输。首先，物质坍缩成薄片状结构，形成巨大的宇宙墙。然后物质在此平面中流动以形成纤维结构。在最后阶段，物质坍塌并沿着细纤维状结构轴向流动以形成团块结构。”中德项目中方负责人康熙教授说。“在这种质量流模型下，人们可能会期望在第二阶段形成纤维状结构的自旋。换句话说，我们预计沿着纤维状结构的运动仍然是线性的，而垂直于纤维状结构轴向的运动是非线性的。”团队核心成员之一，来自上海天文台的郭铨研究员解释说。王鹏补充说“居住在星系团区域的星系被吸积到连接两个星系团的纤维状结构上，然后沿着这条高速公路运动。假设纤维状结构可以近似为圆柱形，这样的流动自然会引起绕着纤维状结构轴的旋转，因此星系整体的运动呈现螺旋状。”

　　国际知名天文期刊《自然·天文学》（Nature Astronomy）于2021年6月14日以“Possible observational evidence that cosmic filaments spin”为题发表了这一重要研究结果。论文第一和通讯作者王鹏毕业于紫金山天文台，现于波茨坦天体物理研究所从事博士后研究。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41550-021-01380-6

科学联系人：

　　郭铨，中国科学院上海天文台，射电天文科学与技术研究室研究员，guoquan@shao.ac.cn