星系是由引力束縛的巨大發光體系——它們在黑暗宇宙的廣袤空間和時間中形成、生長并最終死亡（停止生長）。它們僅占宇宙物質總量的一小部分（約為1%），但與看不見的大量暗物質相比，星系是明亮可見的。因此，對我們人類而言，星系群體已然成為我們觀察宇宙的焦點和窗口，幫助我們理解整個宇宙的起源和演化。

我們每個人都因為珍貴的屬于個人的時刻而特别和非凡。但由于我們的生活不可避免地受到整體社會大環境的影響，我們在某種程度上也都普通且相似，反映了我們共同的文明和文化根源。星系群體也有類似的現象。在距我們不到十億光年的近鄰宇宙範圍内，天文研究者已經仔細觀察了數百萬個星系紛繁的結構和形态，以及相對應的星系内部複雜的運動。然而，一項由beat365科維理天文與天體物理研究所汪碧濤博士和彭影傑教授主導的研究工作揭示：在星系形态與運動的多樣性和複雜性背後隐藏着簡潔的規律。

這項研究最近發表在世界著名期刊《自然-天文學》上（Wang, Peng, & Cappellari 2024），展示了星系的，由歸一化比角動量來量化的旋轉運動呈現為雙峰分布（即分布中包含兩處顯著的集中）。這一現象普遍存在于星系群體中：無論是大質量還是小質量，年輕還是年老的，或者生活在緻密還是稀疏宇宙環境中的星系。該結果揭示了近鄰宇宙中存在的兩類基本而顯著不同的星系種類，内部由規則的整體旋轉（Fast-rotating disc galaxies）和混亂的随機運動（Slow-rotating spheroidal galaxies）所分别主導。“該工作寬廣的分析和結論是原創且重要的。我相信這項工作将對系外星系天文和宇宙學産生重大影響，無論是觀測還是理論方面。”，一位評審專家反饋道。

圖1：快速旋轉星系（左）中的間接作用反饋模式和慢速旋轉星系（右）中的直接作用反饋模式。快速旋轉的盤狀星系由于未受強烈引力幹擾，其冷氣體通常能以薄盤形式存在，中央黑洞産生的雙錐形粒子風對其影響面較小，難以驅動大規模的氣體外流，所以該能量主要作用于星系周圍環境中，影響星系未來的氣體吸積。而經曆過大量星系并合的慢速旋轉星系，氣體受劇烈引力擾動而彌漫于空間，與黑洞産生的粒子風耦合緊密，從而更容易被驅動形成氣體外流。

這兩類星系群體具有截然不同的旋轉意味着什麼？它們的“生與死”方式是否相同？通過對多波段數據的進一步分析，這篇文章以及另一篇發表在Astrophysical Journal Letters（Wang & Peng 2023）的配套文章表明，這兩類星系在恒星形成曆史、金屬豐度和原子氫冷氣體方面也表現出顯著差異。這些差異表明，快速旋轉星系的恒星運動具有高度一緻性，其恒星主要在星系内部相對平靜有序的曆史時期形成，星系最終由于缺乏足夠的“養分”——即冷卻的氣體（恒星形成的原料）而逐漸停止生長。而慢速旋轉的，内部由無規運動主導的星系曆史上經曆了大量的與其他星系的并合事件。星系的碰撞、并合引發了強烈的引力不穩定性效應，冷氣體被急劇消耗——塌縮、聚集形成大量恒星以及内流至中央被黑洞吞噬。此外，新生成的大質量恒星短時間内死亡、爆發，以及星系中心黑洞由于吞噬大量氣體被激活，從而産生強烈輻射、粒子風、及噴流。這些能量有效作用于受引力擾動而彌漫的冷氣體上，驅動高速的氣體外流，進一步加速了星系的死亡。

星系群體的生長與死亡及其物理成因已經成為天文學中最熱門的課題之一。這個宇宙中像巨大的煙火一樣随着時間閃耀和暗淡的史詩般的現象，涉及極端條件下的許多複雜過程，甚至可能導緻新物理現象的發現。在這些物理成因中，星系中心的超大質量黑洞對其宿主星系的能量反饋被認為是一個非常有效和重要的機制。然而，關于這種反饋是否通過直接清除星系内部現有的冷氣體，或通過加熱星系周圍的環境間接使星系“餓死”這一問題，仍然存在激烈的争論。這兩篇論文的結果綜合表明，兩種抑制模式在自然界中都有效運作，但分别主要作用于快速旋轉和慢速旋轉的星系群體中。具體的抑制作用模式取決于黑洞吸積氣體釋放的能量與星系的耦合方式（如圖1所示）。

因此，快速旋轉和慢速旋轉星系的生命曆程截然不同，就像在黑暗宇宙中分岔的兩條道路。由此産生了一個根本性的問題：是什麼決定了星系個體究竟走上哪條道路？這一點尚未被完全理解。如評審專家所述：“理論如何去解釋這一現象，将推動我們在理解宇宙結構形成方向邁出重要的一步。”

------------------------------------------------------------------------------------------

這項工作得到了中國國家自然科學基金和中國載人航天工程科學研究資助的支持。

第一作者簡介：汪碧濤，2021年獲beat365天體物理學博士學位，導師為彭影傑教授；2021至2024年在beat365科維理天文和天體物理研究所彭影傑課題組從事博士後研究；現任湖南大學物理與微電子科學學院副教授，嶽麓學者。

論文鍊接:

Wang, B., Peng, Y. & Cappellari, M. (2024)Nature Astronomy

https://www.nature.com/articles/s41550-024-02376-8

Wang, B. & Peng, Y. (2023)ApJ Letters

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acd779