星系是由引力束缚的巨大发光体系——它们在黑暗宇宙的广袤空间和时间中形成、生长并最终死亡（停止生长）。它们仅占宇宙物质总量的一小部分（约为1%），但与看不见的大量暗物质相比，星系是明亮可见的。因此，对我们人类而言，星系群体已然成为我们观察宇宙的焦点和窗口，帮助我们理解整个宇宙的起源和演化。
我们每个人都因为珍贵的属于个人的时刻而特别和非凡。但由于我们的生活不可避免地受到整体社会大环境的影响，我们在某种程度上也都普通且相似，反映了我们共同的文明和文化根源。星系群体也有类似的现象。在距我们不到十亿光年的近邻宇宙范围内，天文研究者已经仔细观察了数百万个星系纷繁的结构和形态，以及相对应的星系内部复杂的运动。然而，一项由北京大学科维理天文与天体物理研究所汪碧涛博士和彭影杰教授主导的研究工作揭示：在星系形态与运动的多样性和复杂性背后隐藏着简洁的规律。
这项研究最近发表在世界著名期刊《自然-天文学》上（Wang, Peng, & Cappellari 2024），展示了星系的，由归一化比角动量来量化的旋转运动呈现为双峰分布（即分布中包含两处显著的集中）。这一现象普遍存在于星系群体中：无论是大质量还是小质量，年轻还是年老的，或者生活在致密还是稀疏宇宙环境中的星系。该结果揭示了近邻宇宙中存在的两类基本而显著不同的星系种类，内部由规则的整体旋转（Fast-rotating disc galaxies）和混乱的随机运动（Slow-rotating spheroidal galaxies）所分别主导。“该工作宽广的分析和结论是原创且重要的。我相信这项工作将对系外星系天文和宇宙学产生重大影响，无论是观测还是理论方面。”，一位评审专家反馈道。
图1：快速旋转星系（左）中的间接作用反馈模式和慢速旋转星系（右）中的直接作用反馈模式。快速旋转的盘状星系由于未受强烈引力干扰，其冷气体通常能以薄盘形式存在，中央黑洞产生的双锥形粒子风对其影响面较小，难以驱动大规模的气体外流，所以该能量主要作用于星系周围环境中，影响星系未来的气体吸积。而经历过大量星系并合的慢速旋转星系，气体受剧烈引力扰动而弥漫于空间，与黑洞产生的粒子风耦合紧密，从而更容易被驱动形成气体外流。
这两类星系群体具有截然不同的旋转意味着什么？它们的“生与死”方式是否相同？通过对多波段数据的进一步分析，这篇文章以及另一篇发表在Astrophysical Journal Letters（Wang & Peng 2023）的配套文章表明，这两类星系在恒星形成历史、金属丰度和原子氢冷气体方面也表现出显著差异。这些差异表明，快速旋转星系的恒星运动具有高度一致性，其恒星主要在星系内部相对平静有序的历史时期形成，星系最终由于缺乏足够的“养分”——即冷却的气体（恒星形成的原料）而逐渐停止生长。而慢速旋转的，内部由无规运动主导的星系历史上经历了大量的与其他星系的并合事件。星系的碰撞、并合引发了强烈的引力不稳定性效应，冷气体被急剧消耗——塌缩、聚集形成大量恒星以及内流至中央被黑洞吞噬。此外，新生成的大质量恒星短时间内死亡、爆发，以及星系中心黑洞由于吞噬大量气体被激活，从而产生强烈辐射、粒子风、及喷流。这些能量有效作用于受引力扰动而弥漫的冷气体上，驱动高速的气体外流，进一步加速了星系的死亡。
星系群体的生长与死亡及其物理成因已经成为天文学中最热门的课题之一。这个宇宙中像巨大的烟火一样随着时间闪耀和暗淡的史诗般的现象，涉及极端条件下的许多复杂过程，甚至可能导致新物理现象的发现。在这些物理成因中，星系中心的超大质量黑洞对其宿主星系的能量反馈被认为是一个非常有效和重要的机制。然而，关于这种反馈是否通过直接清除星系内部现有的冷气体，或通过加热星系周围的环境间接使星系“饿死”这一问题，仍然存在激烈的争论。这两篇论文的结果综合表明，两种抑制模式在自然界中都有效运作，但分别主要作用于快速旋转和慢速旋转的星系群体中。具体的抑制作用模式取决于黑洞吸积气体释放的能量与星系的耦合方式（如图1所示）。
因此，快速旋转和慢速旋转星系的生命历程截然不同，就像在黑暗宇宙中分岔的两条道路。由此产生了一个根本性的问题：是什么决定了星系个体究竟走上哪条道路？这一点尚未被完全理解。如评审专家所述：“理论如何去解释这一现象，将推动我们在理解宇宙结构形成方向迈出重要的一步。”
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这项工作得到了中国国家自然科学基金和中国载人航天工程科学研究资助的支持。
第一作者简介：汪碧涛，2021年获北京大学天体物理学博士学位，导师为彭影杰教授；2021至2024年在北京大学科维理天文和天体物理研究所彭影杰课题组从事博士后研究；现任湖南大学物理与微电子科学学院副教授，岳麓学者。
论文链接:
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
