宇宙浩瀚無垠，長期以來人們都認(rèn)為它遵循一個基本原則：各向同性。這一原則表明，宇宙在大尺度上，在所有方向上看起來都是一樣的。這一假設(shè)的一個自然結(jié)果是，宇宙的任何屬性，例如星系的自旋，都應(yīng)該是隨機(jī)分布的，不應(yīng)表現(xiàn)出任何偏好的方向。
然而，最近一項開創(chuàng)性的研究，該研究利用了詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）通過其先進(jìn)深外星系巡天（JADES）所提供的無與倫比的能力，正在挑戰(zhàn)這一長期以來的觀念。一篇新的論文提出了令人信服的證據(jù)，證明早期宇宙中星系自轉(zhuǎn)方向存在顯著的統(tǒng)計學(xué)不對稱性，這可能暗示著一個更加復(fù)雜，甚至可能是各向異性的宇宙景象。
研究星系的自轉(zhuǎn)對于理解這些巨大結(jié)構(gòu)的形成和演化至關(guān)重要。星系并非靜態(tài)的實體，它們是動態(tài)系統(tǒng)，其中的恒星、氣體和塵埃圍繞中心點(diǎn)運(yùn)行，通常形成復(fù)雜的螺旋圖案。這種自轉(zhuǎn)的方向，從我們的角度來看是順時針還是逆時針，傳統(tǒng)上被認(rèn)為是早期宇宙星系形成過程中湍流過程的隨機(jī)結(jié)果。在一個真正各向同性的宇宙中，我們應(yīng)該觀察到大致相等數(shù)量的星系以每個方向旋轉(zhuǎn)。
然而，像 JWST 這樣強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)，為我們打開了一扇通往遙遠(yuǎn)宇宙的新窗口，使得天文學(xué)家能夠以前所未有的細(xì)節(jié)探測早期星系。JADES 巡天是一項深場計劃，它提供了高紅移星系異常高分辨率的圖像，這些星系對應(yīng)于宇宙顯著年輕的時期。如此豐富的數(shù)據(jù)使得研究人員能夠?qū)π窍档男螒B(tài)進(jìn)行詳細(xì)分析，包括確定它們的自轉(zhuǎn)方向。
這篇論文細(xì)致地分析了在 JADES 觀測范圍內(nèi)識別出的螺旋星系的自轉(zhuǎn)方向。研究人員采用了復(fù)雜的計算機(jī)輔助算法，客觀地確定從我們的角度來看，星系的旋臂是順時針還是逆時針彎曲。這種自動化方法對于最大限度地減少手動分類中可能出現(xiàn)的主觀偏差至關(guān)重要，尤其是在處理微弱而遙遠(yuǎn)的天體時。該研究側(cè)重于大量的星系樣本，為其結(jié)論提供了可靠的統(tǒng)計基礎(chǔ)。
該研究的核心發(fā)現(xiàn)令人震驚：分析顯示，星系自轉(zhuǎn)的分布存在明顯的非對稱性。具體而言，相對于銀河系，觀察到以相反方向旋轉(zhuǎn)的螺旋星系數(shù)量明顯高于以相同方向旋轉(zhuǎn)的星系數(shù)量——大約多出 50%。這種過量，以高度的統(tǒng)計學(xué)顯著性被識別出來，表明早期宇宙中星系自轉(zhuǎn)的分布，至少在 JADES 觀測到的區(qū)域內(nèi)，并非隨機(jī)。
這一意想不到的發(fā)現(xiàn)對我們理解宇宙學(xué)和星系形成具有深遠(yuǎn)的意義。如果這種不對稱性確實是早期宇宙的一個真實特征，而不是觀測偏差造成的，那么它就挑戰(zhàn)了關(guān)于宇宙在大尺度上是各向同性的基本假設(shè)。這提出了宇宙中可能存在一個優(yōu)先方向或軸，影響了早期星系的自旋方向的可能性。
有趣的是，這項 JWST 研究的發(fā)現(xiàn)與之前一些規(guī)模較小的地球望遠(yuǎn)鏡觀測結(jié)果相呼應(yīng)。這些早期的研究曾暗示星系自旋分布存在類似的非對稱性，一些研究表明這種效應(yīng)在高紅移下可能更加明顯。JWST 通過 JADES 提供的更深、更詳細(xì)的觀測似乎證實了這些早期的跡象，從而加強(qiáng)了星系自轉(zhuǎn)分布并非隨機(jī)的論點(diǎn)。
然而，要考慮這種觀察到的不對稱性的潛在替代解釋。一種可能性是，可能存在一些我們尚未知的微妙的觀測偏差。例如，如果星系自轉(zhuǎn)的物理機(jī)制以某種目前未知的方式影響星系的視亮度，這可能導(dǎo)致我們在遙遠(yuǎn)距離上優(yōu)先探測到以某個方向旋轉(zhuǎn)的星系，而不是另一個方向旋轉(zhuǎn)的星系。該論文的作者承認(rèn)了這種可能性，并討論了潛在的觀測效應(yīng)，例如我們位于銀河系內(nèi)的位置所導(dǎo)致的多普勒偏差。需要進(jìn)一步的研究來最終排除這些偏差。
另一個探索的方向在于理論宇宙學(xué)的領(lǐng)域。觀察到的不對稱性可能可以通過某些非標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型來解釋。例如，一些替代理論，例如涉及旋轉(zhuǎn)宇宙或從旋轉(zhuǎn)黑洞誕生的宇宙的理論，可能自然地預(yù)測星系自旋的優(yōu)先方向。雖然這些想法是推測性的，但 JWST 的發(fā)現(xiàn)提供了有趣的觀測證據(jù)，可以為這些非傳統(tǒng)的模型提供支持。
此外，星系自轉(zhuǎn)中觀察到的不對稱性可能與其他未解決的宇宙學(xué)難題有關(guān)。該論文探討了與哈勃常數(shù)（宇宙膨脹率測量值之間的差異）以及在極高紅移處發(fā)現(xiàn)的大質(zhì)量成熟星系的令人驚訝的現(xiàn)象之間可能存在的聯(lián)系。如果控制星系自轉(zhuǎn)的物理機(jī)制對亮度和紅移等可觀測屬性產(chǎn)生意想不到的影響，那么它可能有助于闡明其他宇宙學(xué)異?，F(xiàn)象。
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