星系為什么旋轉(zhuǎn)

虛空之漂者 2025-06-17 發(fā)布于天津

展開全文

紙風(fēng)車，是很多朋友的童年記憶之一。一張正方形的彩紙，沿著對角線對折裁剪，四個角依次彎曲拉到中心，再用大頭針穿過中心釘?shù)叫∧景羯希粋€紙風(fēng)車就做好了。風(fēng)一吹，紙風(fēng)車便轉(zhuǎn)動起來，伴隨著孩童那驚訝而又快樂的笑臉。在這里，流動的空氣作用于彎曲的葉片，在葉片上產(chǎn)生壓力差和推動力，在紙風(fēng)車軸心形成力矩，使紙風(fēng)車旋轉(zhuǎn)起來。

圖1 風(fēng)車星系M101（Credit: ESA & NASA）

在宇宙中，有一類分布廣泛的星系——旋渦星系（spiral galaxy），呈盤狀，旋臂環(huán)繞，看起來就像風(fēng)車，尤其是在它們的盤面正對我們的視線時更為明顯。著名的例子是北天大熊座的M101，它就被賦予了一個充滿詩意的名字——風(fēng)車星系；還有南天長蛇座的M83，被喚作南風(fēng)車星系。我們居住的銀河系，還有鄰居仙女星系（M31），也都是旋渦星系。不巧的是，我們身處銀河系當(dāng)中，而仙女星系的盤面與我們的視線有比較大的傾角，所以在我們的眼中，它們并不像風(fēng)車。但是，在某些角度合適的遙遠星系看來，銀河系也是一個漂亮的風(fēng)車星系。正如它的名字一樣，風(fēng)車星系也會像風(fēng)車一樣轉(zhuǎn)動。事實上，宇宙中的每個星系，都有不同程度的旋轉(zhuǎn)。

人類對星系旋轉(zhuǎn)的探索和認識過程，是一段值得訴說的故事。

最初的線索：仙女座'星云'的旋轉(zhuǎn)

故事從1910年代開始。那是一個變革的時代。在中國，辛亥革命爆發(fā)，清朝滅亡，歷史的巨輪摧枯拉朽，滾滾向前。在德國，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）發(fā)表了廣義相對論，帶來了新的引力和時空觀。在丹麥，尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）提出了新的原子模型，量子力學(xué)的發(fā)展繼續(xù)高歌猛進。

那時候，很多天文學(xué)家認為銀河系就是整個宇宙。雖然已經(jīng)觀測到包括M31在內(nèi)的很多“旋渦星云（spiral nebula）”，天文學(xué)家還在爭論它們究竟是位于銀河系內(nèi)的氣體云或者星云，還是銀河系外的獨立系統(tǒng)——“島宇宙（island universe）”。在那時候的文獻里，M31被叫做“仙女座星云”。它被確認是河外星系，還要等待十余年之后，埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）通過觀測M31的造父變星精確測量距離，確證它的距離遠超銀河系大小。

當(dāng)時，維斯托·斯萊弗（Vesto Slipher）在美國亞利桑那州洛威爾天文臺（Lowell Observatory）擔(dān)任助理。在利用光譜測量研究行星和恒星多年之后，他的興趣開始轉(zhuǎn)向讓人困惑的星云。然而，這不是一個容易的任務(wù)，因為旋渦星云比近鄰的行星和恒星要暗得多，斯萊弗需要對攝譜儀進行大量的測試和提升，并且需要進行長達幾十個小時的曝光，以獲得信噪比足夠高的觀測數(shù)據(jù) (Slipher 1915; Brémond 2009)。正是在星云光譜測量方面的出色工作，讓他青史留名。

光譜測量是獲取天體信息的有力工具。不同原子或分子會在特定波長發(fā)出或吸收光線，形成獨特的特征譜線，就像它們的身份條形碼。類似于三棱鏡將太陽光分解為彩虹，天文學(xué)家可以將望遠鏡捕捉到的遙遠天體的光分解成不同波長的單色光，得到天體的光譜。在光譜中識別出特定元素或分子的特征譜線，可以判斷該天體中是否含有這些物質(zhì)。如果天體與我們發(fā)生相對運動，這些譜線的波長就會發(fā)生變化——當(dāng)天體朝我們靠近時，譜線會向短波方向移動（稱為藍移）；而當(dāng)它們遠離我們而去時，譜線則向長波方向偏移（稱為紅移）。這種現(xiàn)象被稱為多普勒效應(yīng)，原理類似于救護車駛近或者遠離我們時，警笛聲的音調(diào)發(fā)生變化。通過測量譜線的偏移量，天文學(xué)家就可以推算出天體與地球的相對速度。

圖2 星系光譜的多普勒效應(yīng)。與靜止情況相比，當(dāng)星系遠離我們而去時，元素的特征譜線（這里以吸收線為例）向長波方向偏移（紅移）；當(dāng)星系朝我們靠近時，譜線向短波方向偏移（藍移）。通過測量譜線的偏移量，可以推算出星系與地球的相對速度。(Credit: Nigel Henbest, michael Martin)

1912年，借助天文臺的24寸望遠鏡，斯萊弗對“仙女座星云”進行了多個晚上的光譜觀測。他發(fā)現(xiàn)“仙女座星云”整體上以約300 km/s的視線速度向我們靠近。此外，如果仔細比較沿著“仙女座星云”長軸方向不同位置的光譜，就會發(fā)現(xiàn)星云中心一側(cè)的視線速度相比中心更大，而另一側(cè)則更小。在垂直于長軸的短軸方向，不同位置的速度與中心幾乎一樣。這意味著星云在繞著短軸旋轉(zhuǎn)。除了“仙女座星云”，斯萊弗還測量了包括NGC 4594（草帽星系）在內(nèi)的另外六個旋渦星云的速度信息，確認了旋渦星云的旋轉(zhuǎn)是一個普遍現(xiàn)象 (Slipher 1914; Pease 1917, 1918; Brémond 2009)。

圖3 1910年代測得的“仙女座星云”速度曲線。橫軸為偏離中心的位移，單位為角秒，0為中心位置?？v軸為速度，單位為km/s。十字形表示沿著長軸的結(jié)果，圓圈表示沿著短軸的結(jié)果。沿著主軸方向的速度變化意味著“仙女座星云”在旋轉(zhuǎn)。（Credit: Pease 1918）

星系旋轉(zhuǎn)曲線：暗物質(zhì)的仙蹤

斯萊弗當(dāng)年的觀測只是局限于亮度較高的中心區(qū)域——大約是 500 pc（秒差距pc是天文中常用的長度單位，1 pc大約是3.26光年）以內(nèi)的范圍，約為星系盤長軸的2%。在更大半徑處，星系的旋轉(zhuǎn)速度是多少呢？這個問題的答案——星系旋轉(zhuǎn)曲線（即星系不同半徑處的旋轉(zhuǎn)速度），與星系的物質(zhì)分布息息相關(guān)。

根據(jù)旋渦星系在可見光波段的觀測，星系盤的物質(zhì)分布集中于中心區(qū)域。因此，可以預(yù)期在星系盤的外圍，恒星或氣體的公轉(zhuǎn)速度會隨著半徑增加而下降。這類似于太陽系，位于中心的太陽在質(zhì)量上占主導(dǎo)（就連八大行星中的“巨無霸”——木星的質(zhì)量也不到太陽的千分之一），越是遠離太陽的行星，其公轉(zhuǎn)速度越慢。這正是著名的開普勒第三定律的體現(xiàn)。

對星系旋轉(zhuǎn)曲線測量做出了卓越貢獻的是一位了不起的天文學(xué)家——薇拉·魯賓（Vera Rubin）。魯賓在童年時代就對天文產(chǎn)生了濃厚興趣，并且得到了父母的大力支持。在求學(xué)之路上，她一直都是那種家長口中“別人家的孩子”式的學(xué)霸。在男性主導(dǎo)的科學(xué)領(lǐng)域中，她克服了性別原因帶來的重重障礙，有著一段讓人欽佩的科學(xué)歷程。

從1960到1980年代，魯賓與肯特·福特（Kent Ford）對包括仙女星系在內(nèi)的數(shù)十個旋渦星系做了極高精度的光譜測量，將星系旋轉(zhuǎn)曲線的半徑范圍拓展到了星系盤長軸的80-90%。讓所有人驚訝的是，這些星系的旋轉(zhuǎn)曲線并沒有在外圍下降，反而保持平坦，甚至在個別情況還略微上升 (Rubin et al. 1970, 1978, 1980, 1985)。這意味著在這些星系中，除了可見的恒星和氣體之外，還存在大量不可見的物質(zhì)。正是這些“看不見”的物質(zhì)提供了額外的引力，使得外圍的恒星和氣體能夠以很高的速度繞著星系中心旋轉(zhuǎn)，不會被甩出星系之外。

圖4 M33星系旋轉(zhuǎn)曲線的真實測量（實線）與只考慮可見星系盤的物質(zhì)分布的理論預(yù)言（虛線）比較。兩者的不一致意味著暗物質(zhì)的存在。（Credit: Mario De Leo）

這些“看不見”的物質(zhì)現(xiàn)在被稱為暗物質(zhì)。魯賓對星系旋轉(zhuǎn)的研究給暗物質(zhì)的存在提供了第一個讓人信服的證據(jù)。在后續(xù)幾十年里，暗物質(zhì)的存在得到了更多不同獨立天文觀測的支持，包括宇宙微波背景、子彈星系團、引力透鏡效應(yīng)等等。通常認為，暗物質(zhì)只參與引力相互作用，而不參與電磁相互作用，因此既不發(fā)光也不吸收光，所以不為我們所“見”。

星系旋轉(zhuǎn)研究帶來的暗物質(zhì)發(fā)現(xiàn)改變了我們對宇宙和星系結(jié)構(gòu)的認識。按照現(xiàn)行的標準宇宙學(xué)模型，我們看得見的物質(zhì)（也被稱為重子物質(zhì)）只占宇宙物質(zhì)能量成分的4%，看不見的暗物質(zhì)占據(jù)了26%，而剩下的70%是更加神秘莫測的暗能量。每個可見星系都居住在一個更大的、近似球狀的暗物質(zhì)結(jié)構(gòu)中，這個暗物質(zhì)球狀結(jié)構(gòu)被稱為“暗物質(zhì)暈”，或者簡稱為暗暈?？梢姷男窍当P位于暗暈的中心，半徑通常不超過暗暈半徑的十分之一左右。

圖5 星系的現(xiàn)代圖像：可見部分只是總質(zhì)量的一小部分，它被包裹在一個看不見的暗物質(zhì)暈中。

旋轉(zhuǎn)的起源：潮汐力矩理論

在宇宙中，并沒有“微風(fēng)”來吹動旋渦星系這些“風(fēng)車”。那么，星系的旋轉(zhuǎn)從何而來呢？發(fā)端于1950年代的潮汐力矩理論（Tidal torque theory; Hoyle 1951; Peebles 1969; Doroshkevich 1970; White 1984）可以告訴我們答案。

首先來看質(zhì)量占主導(dǎo)地位的暗暈。在宇宙早期，物質(zhì)的分布并不完全均勻，不同地方存在微小的密度漲落（大約是十萬分之一的差別）。其中，密度峰值所處的區(qū)域就是未來暗暈的“種子”——原初暗暈。在自身引力作用下，一個原初暗暈的物質(zhì)團塊會逐漸聚集，密度不斷升高，最終塌縮形成暗暈。在這個過程中，原初暗暈會受到周邊非均勻分布的其他物質(zhì)團塊的引力拉扯，就像一塊未成形的面團被不同方向的“拉力”拉拽一樣，漸漸獲得了旋轉(zhuǎn)。這個物理機制被稱為“潮汐力矩”，正是它讓原初暗暈開始自轉(zhuǎn)，獲得了角動量（衡量物體旋轉(zhuǎn)程度的物理量）。塌縮之后，暗暈早期通過潮汐力矩獲得的角動量就保留了下來。

圖6 原初星系在早期演化過程中，會受到周邊不均勻物質(zhì)分布的潮汐力矩作用，獲得角動量。

至于原初星系中質(zhì)量較少的重子物質(zhì)（早期主要以氣體的形式存在），它會隨著暗物質(zhì)的聚集而一起塌縮，并獲得與暗物質(zhì)相同的約化角動量（即單位質(zhì)量的角動量一樣）。在塌縮過程中，氣體的引力勢能轉(zhuǎn)化為動能，形成了一個類似暗暈的熱氣體暈。但是，氣體和暗物質(zhì)在之后的演化中就分道揚鑣了——

由于電磁相互作用，氣體的微觀粒子之間可以發(fā)生碰撞。比如說，通過與電子的碰撞，原子可以被激發(fā)到更高的能態(tài)，再自發(fā)地發(fā)出光子回到基態(tài)。這個源于量子力學(xué)的碰撞激發(fā)機制將氣體的動能轉(zhuǎn)化成了輻射能。它與其他輻射致冷機制一起，讓氣體動能變低，冷卻下來。由于輻射致冷過程各個方向上都是一樣的，氣體的角動量保持守恒。隨著溫度降低，氣體逐漸沉降到暗暈中心，形成一個旋轉(zhuǎn)的氣體盤。只要盤中的氣體密度足夠高，溫度足夠低，就會形成恒星，逐漸演變成我們今天看到的旋渦星系。按照這個星系盤形成理論 (Fall & Efstathiou 1980; Mo et al. 1998)，暗暈（或熱氣體暈）的角動量決定了最終恒星盤的半徑大小：暗暈角動量越大，恒星盤越延展，反之亦然。

圖7 星系盤的形成過程。

故事還在繼續(xù)：并未如此簡單？

對星系旋轉(zhuǎn)的研究貫穿了幾乎整個20世紀，伴隨著人類對銀河系和宇宙結(jié)構(gòu)認識的不斷深入。進入新世紀，故事還在繼續(xù)。

在星系演化的后期和小尺度上，演化過程高度非線性，并且涉及紛繁復(fù)雜的物理過程（例如引力相互作用、氣體的流體力學(xué)演化、氣體冷卻、恒星形成、超新星反饋、超大質(zhì)量黑洞吸積和活動星系核反饋）。事實上，像潮汐力矩理論和星系盤形成模型那樣能夠用紙和筆來推導(dǎo)的解析理論并不多見。雖然這些理論給我們提供了非常優(yōu)美的物理圖像，它們往往依賴一定的近似假設(shè)，其定量結(jié)果究竟有多準確，還需要小心檢驗。

高性能并行計算平臺和數(shù)值代碼的快速發(fā)展，讓天文學(xué)家可以在超級計算機上模擬宇宙結(jié)構(gòu)的演化。與傳統(tǒng)解析理論相比，宇宙學(xué)數(shù)值模擬可以更加精確地求解非線性的過程，并同時考慮更多物理機制。可以說，宇宙學(xué)模擬就是在計算中“虛擬”一個宇宙，從大爆炸之后大約一千萬年演化到今天的138億年。這個目標是相當(dāng)?shù)匦坌牟?。盡管目前模擬仍受限于計算能力和分辨率，但是它已經(jīng)成為天文學(xué)家理解和定量研究星系演化不可或缺的工具。

讓人驚嘆的是，將潮汐力矩理論的理論計算與數(shù)值模擬的結(jié)果比較時，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)該理論相當(dāng)有效。例如，潮汐力矩理論預(yù)言的角動量大小大約是模擬結(jié)果的3倍，角動量方向的預(yù)言誤差大約在30度以內(nèi)，這在星系形成理論中已是相當(dāng)成功的表現(xiàn)（Sugerman et al. 2000; Poriani et al. 2002a, 2002b; Sheng et al. 2023）。然而，當(dāng)科學(xué)家進一步去檢查數(shù)值模擬中的星系盤半徑和暗暈的角動量關(guān)系時，不同模擬的結(jié)果并不完全一致，有的支持經(jīng)典理論預(yù)言，有的則未觀察到 (Jiang et al. 2019; Yang et al. 2023)。這可能與不同模擬對相關(guān)物理過程的具體實現(xiàn)有關(guān)，也可能反映出除了角動量之外，暗暈的其他物理性質(zhì)對星系盤尺寸也有重要影響。目前尚無定論。

圖8 超彌散星系NGC 1052-DF2。它看起來像是天幕中一個模糊、彌散的光斑，幾乎與背景融為一體，甚至透過它可以清楚地看到遙遠的背景星系。超彌散星系的直徑可能與銀河系相當(dāng)，但恒星卻極其稀少，因此看起來“虛無縹緲”。（Credit: NASA, ESA, Pieter van Dokkum）

近年來，天文學(xué)家還在觀測中發(fā)現(xiàn)了一批特殊的低表面亮度星系。顧名思義，這些星系非常暗淡，但是它們的恒星分布卻異常延展，因此被稱為“超彌散星系”（ultra-diffuse galaxies, van Dokkum et al. 2015）。為什么超彌散星系的半徑比相同亮度的星系要更大？一種猜測認為它的宿主暗暈角動量特別大 (Amorisco & Loeb 2016; Rong et al. 2017)，但也可能是其他機制。例如，一系列年齡相仿的恒星在生命末期發(fā)生超新星爆炸，瞬間釋放出巨大的能量，將星系中心的氣體驅(qū)散到外圍甚至是暗暈半徑之外，導(dǎo)致引力勢阱變淺，恒星重新分布，形成彌散結(jié)構(gòu) (Di Cintio et al. 2017)。不同的數(shù)值模擬支持了這些不同的物理機制 (Zheng et al. 2025)。超彌散星系究竟是怎樣形成的？目前仍是一個未完全解決的問題。

此外，還有一個更大的謎團是——暗物質(zhì)的本質(zhì)究竟是什么？這是當(dāng)前物理學(xué)領(lǐng)域最大的未解之謎之一。

經(jīng)過一個多世紀的探索，我們已經(jīng)知道了很多，但是也發(fā)現(xiàn)有更多的謎團在等待著我們?nèi)ソ視?。在深邃的夜空中，那些“宇宙風(fēng)車”依然靜靜旋轉(zhuǎn)，繼續(xù)激發(fā)著一代代智慧生命的好奇和想象。

結(jié)束語

正如星系的旋轉(zhuǎn)這段故事，人類認識和探索自然界的過程，總是充滿挑戰(zhàn)，曲折迂回。但是，想象一下，人類居住在地球這個并不起眼的“暗淡藍點”上，與星系的空間跨度相比，猶如一粒塵埃漂浮在浩瀚的太平洋；人類文明歷史與星系的時間跨度相比，宛如一秒之于一年。如此渺小的我們，卻可以理解如此廣袤的星系甚至是整個宇宙。這是人類理性和信念的榮光，也是科學(xué)探索的魅力之所在。

參考文獻

Amorisco N. C., Loeb A., 2016, MNRAS, 459, L51

Brémond A. G., 2009, Journal of Astronomical History and Heritage, 12, 72

Di Cintio A., et al., 2017, MNRAS, 466, L1

Doroshkevich A. G., 1970, Afz, 6, 581

Fall S. M., Efstathiou G., 1980, MNRAS, 193, 189

Hoyle F., 1951, in Problems of Cosmical Aerodynamics, 195

Jiang F., et al., 2019, MNRAS, 488, 4801

Mo H.J., Mao S., White S. D. M., 1998, MNRAS, 295, 319

Pease F. G., 1916, PNAS, 2, 517

Pease F. G., 1918, PNAS, 4, 21

Peebles P. J. E., 1969, ApJ, 155, 393