【科學講堂】宇宙早期存在棒狀星系 現有理論有待更新

美麗的星系一直讓天文學家和大眾着迷不已，星系有許多不同的外貌，有些雜亂無章，有些又看來有着井井有條的結構。這些有結構的星系究竟是如何形成，又是何時開始形成的呢？近期天文學家們利用最新型的天文望遠鏡，對這些星系進行研究，發現它們在宇宙歷史中出現的時間，遠比之前所認為的要早，這是怎麼回事呢？本期專欄就跟大家分享一下。

橢圓星系（Elliptical Galaxy）是一種看來沒有什麼結構的星系：許多的星體聚在一起形成一個橢圓的形狀，當中的星體相對不規律地移動。而我們腦海中常有的星系影像（包括我們居住在其中的銀河系）則屬於螺旋星系（Spiral Galaxy）：星體聚在中央的一個平面上，像一個圓盤一般繞着中央旋轉。在這樣的「圓盤」上，星體更會組織成螺旋，甚至棒狀的結構和圖案。根據現有科學家的理論，各種星系的面貌與它們的演化歷史有關。

一般來說，星系源於一堆混亂的氣體、星星，或類星體（Quasar）。在宇宙開始後的數十億年的歷史中，星系中存在較多的氣體，當中的活動亦比較混亂，因此容易形成新的星體。自此以後，宇宙慢慢「歸於沉寂」；到了近一百億年，不少星系演化出高度組織的外貌，擁有螺旋、棒狀的結構。

大約一個世紀前，著名天文學家哈勃就發布了他觀察到的星系。一個世紀後的今天，運用最新型的占士·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope，JWST），我們能看到更加清晰的星系面貌。例如，在2024年，JWST觀察到在宇宙歷史三十億年的時期中，螺旋星系比以前哈勃望遠鏡量度到的更多。有螺旋構造的星系可能早在宇宙歷史十億年時期就已出現。

宇宙早期出現「怪獸星系」

近日，更有天文學家發現在宇宙歷史二十六億年的時期存在棒旋結構的星系，這種結構需要更多的時間去演化，其質量是銀河系10倍以上，且恒星形成速率是銀河系的約300倍，但其體積卻比銀河系更為緊湊，發表期刊的學者稱其為「怪獸星系」。這樣的結構怎麼會在宇宙早期出現？這個問題目前還難以利用我們現在的理論去解答。

不過，值得一提的是，這一發現聯合了兩個天文儀器的觀測結果。隨着宇宙的膨脹，星系的可見光會被拉長成紅外光，JWST對紅外線十分敏感，正好適合用來量度來自宇宙早期星系的星光。另一個運用到的就是阿塔卡馬大型毫米波/次毫米波陣列（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，ALMA）。

ALMA位於南美洲智利北部，是一組六十六個共同觀察的無線電望遠鏡，能夠測量到遙遠、遠古星系中氣體的移動。這令天文學家可以觀察出星系中氣體的移動如何受棒狀結構的影響，因此可以比較肯定地確認，棒狀的結構真的存在於星系之中。

一直以來，天文學家們依靠周邊星系研究棒狀結構的演化，現今理論認為星系早期充滿氣體的環境不利於棒狀結構的形成。所以這次觀察宇宙早期就存在棒狀結構的星系，直接挑戰了現有的理論，等待我們的進一步探究。

小結

星系的形態演化既非完全隨機，也非單一線性順序，而是由初始條件、動力學過程及環境交互作用共同決定的多路徑演化。這次分享了近期發現呈現螺旋結構以及棒狀結構的星系出現的時間遠遠早於預期，與現有推論相違，期待科學家們繼續觀察，解明其背後的原因，讓我們對宇宙有更進一步的認知。

●杜子航 教育工作者

早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。