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(duì)角線對(duì)折裁剪，四個(gè)角依次彎曲拉到中心，再用大頭針穿過(guò)中心釘?shù)叫∧景羯希粋€(gè)紙風(fēng)車就做好了。風(fēng)一吹，紙風(fēng)車便轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，伴隨著孩童那驚訝而又快樂(lè)的笑臉。在這里，流動(dòng)的空氣作用于彎曲的葉片，在葉片上產(chǎn)生壓力差和推動(dòng)力，在紙風(fēng)車軸心形成力矩，使紙風(fēng)車旋轉(zhuǎn)起來(lái)。

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(lái)就像風(fēng)車，尤其是在它們的盤面正對(duì)我們的視線時(shí)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(gè)充滿詩(shī)意的名字——風(fēng)車星系；還有南天長(zhǎng)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(yuǎn)星系看來(lái)，銀河系也是一個(gè)漂亮的風(fēng)車星系。正如它的名字一樣，風(fēng)車星系也會(huì)像風(fēng)車一樣轉(zhuǎn)動(dòng)。事實(shí)上，宇宙中的每個(gè)星系，都有不同程度的旋轉(zhuǎn)。

人類對(duì)星系旋轉(zhuǎn)的探索和認(rèn)識(shí)過(guò)程，是一段值得訴說(shuō)的故事。

最初的線索：仙女座"星云"的旋轉(zhuǎn)

故事從1910年代開(kāi)始。那是一個(gè)變革的時(shí)代。在中國(guó)，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(guó)，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦（Albert Einstein）發(fā)表了廣義相對(duì)論，帶來(lái)了新的引力和時(shí)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(jìn)。

那時(shí)候，很多天文學(xué)家認(rèn)為銀河系就是整個(gè)宇宙。雖然已經(jīng)觀測(cè)到包括M31在內(nèi)的很多“旋渦星云（spiral nebula）”，天文學(xué)家還在爭(zhēng)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(dú)立系統(tǒng)——“島宇宙（island universe）”。在那時(shí)候的文獻(xiàn)里，M31被叫做“仙女座星云”。它被確認(rèn)是河外星系，還要等待十余年之后，埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）通過(guò)觀測(cè)M31的造父變星精確測(cè)量距離，確證它的距離遠(yuǎn)超銀河系大小。

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

光譜測(cè)量是獲取天體信息的有力工具。不同原子或分子會(huì)在特定波長(zhǎng)發(fā)出或吸收光線，形成獨(dú)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(yáng)光分解為彩虹，天文學(xué)家可以將望遠(yuǎn)鏡捕捉到的遙遠(yuǎn)天體的光分解成不同波長(zhǎng)的單色光，得到天體的光譜。在光譜中識(shí)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(duì)運(yùn)動(dòng)，這些譜線的波長(zhǎng)就會(huì)發(fā)生變化——當(dāng)天體朝我們靠近時(shí)，譜線會(huì)向短波方向移動(dòng)（稱為藍(lán)移）；而當(dāng)它們遠(yuǎn)離我們而去時(shí)，譜線則向長(zhǎng)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(hù)車駛近或者遠(yuǎn)離我們時(shí)，警笛聲的音調(diào)發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)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(duì)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(yuǎn)離我們而去時(shí)，元素的特征譜線（這里以吸收線為例）向長(zhǎng)波方向偏移（紅移）；當(dāng)星系朝我們靠近時(shí)，譜線向短波方向偏移（藍(lán)移）。通過(guò)測(cè)量譜線的偏移量，可以推算出星系與地球的相對(duì)速度。(Credit: Nigel Henbest, michael Martin)

1912年，借助天文臺(tái)的24寸望遠(yuǎn)鏡，斯萊弗對(duì)“仙女座星云”進(jìn)行了多個(gè)晚上的光譜觀測(cè)。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(xì)比較沿著“仙女座星云”長(zhǎng)軸方向不同位置的光譜，就會(huì)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(zhǎng)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(cè)量了包括NGC 4594（草帽星系）在內(nèi)的另外六個(gè)旋渦星云的速度信息，確認(rèn)了旋渦星云的旋轉(zhuǎn)是一個(gè)普遍現(xiàn)象 (Slipher 1914; Pease 1917, 1918; Brémond 2009)。

圖3 1910年代測(cè)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。縱軸為速度，單位為km/s。十字形表示沿著長(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)度單位，1 pc大約是3.26光年）以內(nèi)的范圍，約為星系盤長(zhǎng)軸的2%。在更大半徑處，星系的旋轉(zhuǎn)速度是多少呢？這個(gè)問(wèn)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(jiàn)光波段的觀測(cè)，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(huì)隨著半徑增加而下降。這類似于太陽(yáng)系，位于中心的太陽(yáng)在質(zhì)量上占主導(dǎo)（就連八大行星中的“巨無(wú)霸”——木星的質(zhì)量也不到太陽(yáng)的千分之一），越是遠(yuǎn)離太陽(yáng)的行星，其公轉(zhuǎn)速度越慢。這正是著名的開(kāi)普勒第三定律的體現(xiàn)。

對(duì)星系旋轉(zhuǎn)曲線測(cè)量做出了卓越貢獻(xiàn)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(shí)代就對(duì)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(zhǎng)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(lái)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(duì)包括仙女星系在內(nèi)的數(shù)十個(gè)旋渦星系做了極高精度的光譜測(cè)量，將星系旋轉(zhuǎn)曲線的半徑范圍拓展到了星系盤長(zhǎng)軸的80-90%。讓所有人驚訝的是，這些星系的旋轉(zhuǎn)曲線并沒(méi)有在外圍下降，反而保持平坦，甚至在個(gè)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(jiàn)的恒星和氣體之外，還存在大量不可見(jiàn)的物質(zhì)。正是這些“看不見(jiàn)”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(huì)被甩出星系之外。

圖4 M33星系旋轉(zhuǎn)曲線的真實(shí)測(cè)量（實(shí)線）與只考慮可見(jiàn)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(jiàn)”的物質(zhì)現(xiàn)在被稱為暗物質(zhì)。魯賓對(duì)星系旋轉(zhuǎn)的研究給暗物質(zhì)的存在提供了第一個(gè)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(dú)立天文觀測(cè)的支持，包括宇宙微波背景、子彈星系團(tuán)、引力透鏡效應(yīng)等等。通常認(rèn)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(jiàn)”。

星系旋轉(zhuǎn)研究帶來(lái)的暗物質(zhì)發(fā)現(xiàn)改變了我們對(duì)宇宙和星系結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。按照現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型，我們看得見(jiàn)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(jiàn)的暗物質(zhì)占據(jù)了26%，而剩下的70%是更加神秘莫測(cè)的暗能量。每個(gè)可見(jiàn)星系都居住在一個(gè)更大的、近似球狀的暗物質(zhì)結(jié)構(gòu)中，這個(gè)暗物質(zhì)球狀結(jié)構(gòu)被稱為“暗物質(zhì)暈”，或者簡(jiǎn)稱為暗暈。可見(jiàn)的星系盤位于暗暈的中心，半徑通常不超過(guò)暗暈半徑的十分之一左右。

圖5 星系的現(xiàn)代圖像：可見(jiàn)部分只是總質(zhì)量的一小部分，它被包裹在一個(gè)看不見(jiàn)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(méi)有“微風(fēng)”來(lái)吹動(dòng)旋渦星系這些“風(fēng)車”。那么，星系的旋轉(zhuǎn)從何而來(lái)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(lái)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(wàn)分之一的差別）。其中，密度峰值所處的區(qū)域就是未來(lái)暗暈的“種子”——原初暗暈。在自身引力作用下，一個(gè)原初暗暈的物質(zhì)團(tuán)塊會(huì)逐漸聚集，密度不斷升高， 最終塌縮形成暗暈。在這個(gè)過(guò)程中，原初暗暈會(huì)受到周邊非均勻分布的其他物質(zhì)團(tuán)塊的引力拉扯，就像一塊未成形的面團(tuán)被不同方向的“拉力”拉拽一樣，漸漸獲得了旋轉(zhuǎn)。這個(gè)物理機(jī)制被稱為“潮汐力矩”，正是它讓原初暗暈開(kāi)始自轉(zhuǎn)，獲得了角動(dòng)量（衡量物體旋轉(zhuǎn)程度的物理量）。塌縮之后，暗暈早期通過(guò)潮汐力矩獲得的角動(dòng)量就保留了下來(lái)。

圖6 原初星系在早期演化過(guò)程中，會(huì)受到周邊不均勻物質(zhì)分布的潮汐力矩作用，獲得角動(dòng)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(huì)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(dòng)量（即單位質(zhì)量的角動(dòng)量一樣）。在塌縮過(guò)程中，氣體的引力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，形成了一個(gè)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(yáng)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(shuō)，通過(guò)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(gè)源于量子力學(xué)的碰撞激發(fā)機(jī)制將氣體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成了輻射能。它與其他輻射致冷機(jī)制一起，讓氣體動(dòng)能變低，冷卻下來(lái)。由于輻射致冷過(guò)程各個(gè)方向上都是一樣的，氣體的角動(dòng)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(gè)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(huì)形成恒星，逐漸演變成我們今天看到的旋渦星系。按照這個(gè)星系盤形成理論 (Fall & Efstathiou 1980; Mo et al. 1998)，暗暈（或熱氣體暈）的角動(dòng)量決定了最終恒星盤的半徑大小：暗暈角動(dòng)量越大，恒星盤越延展，反之亦然。

圖7 星系盤的形成過(guò)程。

故事還在繼續(xù)：并未如此簡(jiǎn)單？

對(duì)星系旋轉(zhuǎn)的研究貫穿了幾乎整個(gè)20世紀(jì)，伴隨著人類對(duì)銀河系和宇宙結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的不斷深入。進(jìn)入新世紀(jì)，故事還在繼續(xù)。

在星系演化的后期和小尺度上，演化過(guò)程高度非線性，并且涉及紛繁復(fù)雜的物理過(guò)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(dòng)星系核反饋）。事實(shí)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(lái)推導(dǎo)的解析理論并不多見(jiàn)。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(zhǔn)確，還需要小心檢驗(yàn)。

高性能并行計(jì)算平臺(tái)和數(shù)值代碼的快速發(fā)展，讓天文學(xué)家可以在超級(jí)計(jì)算機(jī)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(guò)程，并同時(shí)考慮更多物理機(jī)制。可以說(shuō)，宇宙學(xué)模擬就是在計(jì)算中“虛擬”一個(gè)宇宙，從大爆炸之后大約一千萬(wàn)年演化到今天的138億年。這個(gè)目標(biāo)是相當(dāng)?shù)匦坌牟１M管目前模擬仍受限于計(jì)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(jì)算與數(shù)值模擬的結(jié)果比較時(shí)，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(dòng)量大小大約是模擬結(jié)果的3倍，角動(dòng)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(jìn)一步去檢查數(shù)值模擬中的星系盤半徑和暗暈的角動(dòng)量關(guān)系時(shí)，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(duì)相關(guān)物理過(guò)程的具體實(shí)現(xiàn)有關(guān)，也可能反映出除了角動(dòng)量之外，暗暈的其他物理性質(zhì)對(duì)星系盤尺寸也有重要影響。目前尚無(wú)定論。

圖8 超彌散星系NGC 1052-DF2。它看起來(lái)像是天幕中一個(gè)模糊、彌散的光斑，幾乎與背景融為一體，甚至透過(guò)它可以清楚地看到遙遠(yuǎn)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(lái)“虛無(wú)縹緲”。（Credit: NASA, ESA, Pieter van Dokkum）

近年來(lái)，天文學(xué)家還在觀測(cè)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(cè)認(rèn)為它的宿主暗暈角動(dòng)量特別大 (Amorisco & Loeb 2016; Rong et al. 2017)，但也可能是其他機(jī)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(shì)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(jī)制 (Zheng et al. 2025)。超彌散星系究竟是怎樣形成的？目前仍是一個(gè)未完全解決的問(wèn)題。

此外，還有一個(gè)更大的謎團(tuán)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(guò)一個(gè)多世紀(jì)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(tuán)在等待著我們?nèi)ソ視浴Ｔ谏铄涞囊箍罩校切坝钪骘L(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(yǔ)

正如星系的旋轉(zhuǎn)這段故事，人類認(rèn)識(shí)和探索自然界的過(guò)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(gè)并不起眼的“暗淡藍(lán)點(diǎn)”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(shí)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(gè)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。

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來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)

編輯：yhc

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