堪薩斯州立大學的一項研究顯示,一項對20多萬個螺旋星系的分析揭示了星系自旋方向之間出人意料的聯繫,由這些聯繫形成的結構可能表明,早期宇宙可能一直在旋轉。利奧爾·沙米爾(Lior Shamir)是一名計算天文學家和計算機科學家,他在2020年6月舉行的第236屆美國天文學會會議上公布了這一發現。這一發現意義重大,因為這些觀測結果與之前關於宇宙大尺度結構的一些假設相衝突。
自埃德溫·哈勃時代以來,天文學家們一直認為宇宙正在沒有特定方向地膨脹,其中的星系分布也沒有特定的宇宙學結構。但是沙米爾對20多萬個螺旋星系的幾何模式觀察表明,宇宙可能有一個確定的結構,早期的宇宙可能一直在旋轉。根據這項研究,這些星系的分布模式表明,宇宙不同部分的螺旋星系,被空間和時間分開,通過它們旋轉的方向相互關聯。
同為K-State計算機科學副教授的沙米爾說:天文學中的數據,科學不僅使天文學研究更具成本效益,還讓我們能夠以一種完全不同的方式觀察宇宙。螺旋星系分布所表現出的幾何圖案是清晰的,但只有在分析非常大量的天文物體時才能觀察到。螺旋星系是一個獨特的天文系統,因為它的視覺外觀取決於觀測者的視角。例如,一個從地球上觀察時順時針旋轉的螺旋星系,當觀測者位於該星系的另一邊時,似乎是逆時針旋轉。
如果宇宙是各向同性的,並且沒有特殊結構(正如之前天文學家預測的那樣)順時針旋轉的星係數量將大致等於逆時針旋轉的星係數量,沙米爾用現代望遠鏡的數據證明情況並非如此。用傳統望遠鏡,計算宇宙中的星系是一項艱巨任務。但現代機器人望遠鏡,如斯隆數字天空勘測(SDSS)和全景勘測望遠鏡和快速響應系統(Pan-STARRS),能夠在觀測天空時自動拍攝數百萬星系的圖像。
然後,機器視覺可以根據星系的旋轉方向對數百萬個星系進行排序,速度比任何人或一組人都要快得多。當比較不同旋轉方向的星係數量時,順時針旋轉的星係數量並不等於逆時針旋轉的星係數量。根據沙米爾的研究,差別很小,僅略高於2%,但隨著星係數量的增加,偶然出現這種不對稱的可能性不到10億分之一到40億分之一。這些圖案的跨度超過40億光年,但在這個範圍內的不對稱性並不均勻。
研究發現,星系離地球越遠,不對稱性越高,這表明早期宇宙比現在的宇宙更一致,更不混亂。但是,這些模式不僅表明宇宙不對稱,而且研究還表明宇宙不對稱在宇宙的不同部分發生變化,差異表現出一種獨特的多極模式。如果宇宙有軸,它就不是像旋轉木馬那樣簡單的單一軸,這是多個軸的複雜排列,也有一定的漂移。
宇宙多極的概念並不新鮮,之前的天基天文台,如宇宙背景探測器(COBE)衛星;威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)任務;以及普朗克天文台觀測顯示:宇宙微波背景,即來自非常早期宇宙的電磁輻射,也顯示出多個極。但宇宙微波背景的測量對前景汙染(如銀河系的障礙)很敏感,無法顯示這些極點是如何隨著時間的推移而變化。
螺旋星系自旋方向之間的不對稱性,是一種對障礙物不敏感的測量方法。在特定磁場中,可以阻礙一個方向旋轉的星系,必然也會阻礙以相反方向旋轉的星系,而沒有任何錯誤或汙染可以通過這種獨特、複雜和一致的模式表現出來。