近日，中国科学院上海天文台王鹏研究员领衔的研究团队，利用斯隆数字化巡天（SDSS）大样本光谱数据，发现卫星星系的轨道运动与其所在宇宙纤维之间存在显著的方向关联。研究首次从卫星星系轨道运动的角度，在观测上揭示了物质向宇宙纤维汇聚、继而沿纤维流向星系群和星系团的两阶段吸积过程，为理解宇宙网如何调控星系系统的形成与演化提供了新的动力学证据。相关成果以“Observational Evidence for the Kinematic Memory of Cosmic Filaments from Satellite Orbital Orientations”（卫星星系轨道取向揭示宇宙纤维运动学记忆的观测证据）为题，发表于《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）。

图1：宇宙纤维周围的两阶段吸积过程。物质和星系首先从宇宙墙等周围环境沿近似垂直于纤维的方向汇入纤维；进入纤维内部后，卫星星系沿纤维轴以纵向流动和螺旋式运动向星系群或星系团输运。蓝色箭头表示横向汇聚，金色箭头表示沿纤维输运。

宇宙中的物质并非均匀分布，而是形成了由结点、纤维和墙状结构组成的巨大网络——“宇宙网”。其中，宇宙纤维如同连接星系群和星系团的“高速公路”，持续向这些系统输送物质。数值模拟表明，物质可能首先从周围环境向纤维轴汇聚，随后沿纤维流向星系群和星系团。然而，这一“两阶段吸积”图景此前主要来自理论和数值模拟，尚缺乏直接而系统的观测检验。

卫星星系围绕中央星系运动，其轨道保留着进入宿主系统时的动力学信息。研究团队分析了多个星系系统，并利用卫星星系的投影位置和视向速度，测量其轨道方向与附近宇宙纤维方向之间的关系。研究发现，卫星星系的轨道取向显著偏离随机分布，统计显著性达到约12.8倍标准差。总体而言，卫星星系更倾向于在包含宇宙纤维轴的平面内运动。这表明，宇宙纤维不仅影响星系进入星系群的空间方向，还会在卫星星系的轨道运动中留下可观测的“运动学记忆”。更为关键的是，这种轨道取向会随着星系系统到纤维轴距离的变化而发生“翻转”：在纤维外围，物质和星系主要沿近似垂直于纤维的方向向内汇聚；进入纤维内部后，运动方向逐渐转为沿纤维轴输运。这一观测结果与“两阶段吸积”模型相吻合，即物质首先从周围环境横向汇入纤维，随后沿纤维流向星系群和星系团。

王鹏表示：“如果把宇宙纤维比作输送物质的高速公路，那么卫星星系的轨道就如同物质运动留下的‘车辙’。我们不仅看到了卫星星系沿纤维输运的迹象，还捕捉到它们由横向汇入纤维向沿纤维运动转变的过程。这一发现为检验宇宙纤维的两阶段吸积模型提供了新的观测依据，也为研究纤维结构自身角动量的形成与演化，以及理解其特征半径的物理起源提供了新的动力学线索。”

图2：左图：卫星星系轨道平面与宇宙纤维方向的统计关联。观测结果显著偏离随机分布，表明卫星星系倾向于在包含纤维轴的平面内运动。右图：卫星星系轨道取向随其到宇宙纤维轴距离的变化。由纤维外围向内部移动时，轨道取向出现由垂直纤维向沿纤维排列的“翻转”，对应横向汇聚和沿纤维输运两个吸积阶段。

该研究由中国科学院上海天文台联合上海交通大学、浙江大学和南京师范大学共同完成，上海天文台王鹏研究员为论文第一作者和通讯作者。

该研究获得国家自然科学基金重大项目、面上项目，中国载人航天工程空间应用系统巡天空间望远镜专项科学研究经费，以及上海市启明星计划等项目的资助。

论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae9935

科学联系人：王鹏

邮箱：pwang@shao.ac.cn