天文学家利用詹姆斯·韦伯太空望远镜观测到了某种本不该存在的事物——至少在宇宙如此早期的阶段不该存在。一个形成于大爆炸后不到20亿年的大质量星系似乎完全没有自转，这一特征通常仅见于古老且演化程度更高的星系。这对现有理论提出了挑战，因为根据现有理论，年轻星系应当保留形成时的旋转状态。
加州大学戴维斯分校物理与天文学系的研究科学家、5月4日发表在《自然-天文学》上的一项研究的主要作者本·福雷斯特解释说，这种行为通常只在距离地球近得多的大型、成熟星系中才能看到。
“特别是这一个，没有显示出任何旋转的迹象，这令人惊讶且非常有趣，”福雷斯特说。
为什么星系预期会旋转
当前的模型表明，星系在形成时就开始旋转。向内流动的气体和引力的拉力产生了角动量，使这些系统运动起来。
在数十亿年的时间里，星系可能会碰撞并合并，特别是在密集的星系团中。这些反复的相互作用既可以积累旋转，也可以抵消旋转。因此，一些附近的星系几乎没有整体旋转，而是显示出恒星向随机方向运动。
由于这种转变被认为需要很长时间，因此在宇宙还不到20亿岁时，就在星系XMM-VID1-2075中看到这种现象令人惊讶。
早期形成的巨大星系
福雷斯特和他的同事是MAGAZ3NE（z>3近红外大质量古老星系）巡天项目的一部分，他们此前已经利用位于夏威夷的W.M.凯克天文台研究了这个星系。
“之前的MAGAZ3NE观测已经证实，这是早期宇宙中质量最大的星系之一，拥有的恒星数量已经是银河系的数倍，同时也证实它不再形成新的恒星，这使其成为后续观测的一个极具吸引力的目标，”福雷斯特说。
韦伯望远镜揭示内部运动
利用詹姆斯·韦伯太空望远镜，研究团队检查了XMM-VID1-2075以及来自同一时期的另外两个星系。这使他们能够追踪物质在每个系统内部是如何运动的。
“这类工作在附近的星系上已经做过很多，因为它们距离更近、体积更大，所以可以从地面进行这些研究，但在高红移星系上开展这项工作非常困难，因为它们在天空中看起来要小得多，”福雷斯特说。“（詹姆斯·韦伯太空望远镜）确实正在拓展这类研究的前沿。”
在这三个星系中，一个明显在旋转，另一个显示出不规则结构，第三个则没有旋转，但其恒星表现出强烈的随机运动。
“这与局域宇宙中一些质量最大的星系是一致的，但在如此早期就发现这种现象有点令人惊讶，”福雷斯特说。
什么能阻止星系旋转
研究人员现在正试图了解这个星系是如何如此迅速地成为科学家所说的“慢旋转星系”的。
一种可能的解释不是多次合并的漫长历史，而是一次单一的剧烈碰撞。如果两个旋转方向几乎相反的星系相撞，它们的运动可能会相互抵消。
“对于这个特定的星系，我们看到一侧有大量的光线过剩。这暗示有其他物体进入并与该系统相互作用，并可能改变了其动力学特征，”福雷斯特说。
寻找更多无旋转星系
该团队正在继续寻找早期宇宙中类似的星系。通过将观测结果与计算机模拟进行比较，科学家可以测试当前的星系形成理论是否成立。
“有一些模拟预测，在宇宙早期会有极少数这种非旋转星系，但它们预计会非常罕见。所以这是我们测试这些模拟的一种方式，真正弄清楚它们有多普遍，这进而可以为我们提供关于我们的演化理论是否正确的信息，”福雷斯特说。
论文的其他共同作者包括：加州大学戴维斯分校和夏威夷双子星天文台的Brian C. Lemaux；多伦多约克大学的Adam Muzzin和Adit H. Edward；塔夫茨大学的Danilo Marchesini、Richard Pan和Nehir Ozden；多伦多大学的Jacqueline Antwi-Danso；加州大学河滨分校的Wenjun Chang；加州大学尔湾分校的M. C. Cooper和Stephanie M. Urbano Stawinski；夏威夷卡穆埃拉W.M.凯克天文台的Percy Gomez；德国慕尼黑大学的Lucas Kimmig和Rhea-Silvia Remus；威斯康星大学麦迪逊分校的Ian McConachie；亚利桑那州立大学的Allison Noble；以及加州大学默塞德分校的Gillian Wilson和M. E. Wisz。
该研究得到了美国国家航空航天局、太空望远镜科学研究所和国家科学基金会的资助。