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撰文 | 張紅欣（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)）

責(zé)編 | 韓越揚(yáng) 呂浩然

19世紀(jì)末，照相底片巡天觀測(cè)開(kāi)啟了星系結(jié)構(gòu)的定量化研究。到了20世紀(jì)中葉，近鄰宇宙中最常見(jiàn)的星系形態(tài)類(lèi)型都已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。同一時(shí)期，人們將正常星系劃分為橢圓星系、透鏡星系、旋渦星系三類(lèi)，而將那些無(wú)法歸入以上三類(lèi)的統(tǒng)稱(chēng)為不規(guī)則星系或奇特星系。愛(ài)德文·哈勃（Edwin Hubble）等人針對(duì)正常星系，發(fā)展了一套簡(jiǎn)潔的形態(tài)分類(lèi)系統(tǒng)（Hubble 1926），也就是星系分類(lèi)中使用最廣泛的“哈勃序列”或“哈勃音叉圖”。天文學(xué)家通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：哈勃序列上的星系類(lèi)型在50億年前就已經(jīng)全部存在了。

圖1：經(jīng)過(guò)擴(kuò)展和修正的哈勃序列，圖片來(lái)源：Kormendy & Bender（1996）

哈勃序列的強(qiáng)大之處在于，它僅基于幾個(gè)連續(xù)分布的形態(tài)參數(shù)，就將當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)星系囊括其中。沿著哈勃序列從左往右，星系的中心聚集度越來(lái)越低，旋渦星系的旋臂結(jié)構(gòu)也越來(lái)越不顯著，最后甚至“亂作一團(tuán)”（圖1最右部分）。人們習(xí)慣把靠近哈勃序列左側(cè)的星系稱(chēng)作早型星系，而把右側(cè)的稱(chēng)作晚型星系。

雖然哈勃序列是一個(gè)形態(tài)的序列，但人們發(fā)現(xiàn)，它有一些重要的特點(diǎn)，比如越靠近序列右端的星系，越傾向于具有更低質(zhì)量、更高比例的年輕星族等等。這些“額外”的特點(diǎn)賦予了哈勃序列更為豐富的內(nèi)涵，也是哈勃序列在星系分類(lèi)方案中能夠保持主流地位的一個(gè)重要因素。

正如食物鏈底端的生物數(shù)量遠(yuǎn)大于頂端的生物數(shù)量一樣，處于低質(zhì)量端的星系（圖1右側(cè)）數(shù)量也遠(yuǎn)高于大質(zhì)量端的星系（圖1左側(cè)）數(shù)量。盡管如此，哈勃在提出其形態(tài)分類(lèi)方案時(shí)，所基于的樣本仍主要由最容易被觀測(cè)到的大星系構(gòu)成。低質(zhì)量端星系的缺失是所有流量限定的巡天都面臨的問(wèn)題，哈勃更是將其樣本中僅有的矮星系排除在了最初的哈勃序列之外，而將其歸為了不規(guī)則星系或奇特星系。因此，哈勃序列一開(kāi)始是為星系界的少數(shù)派——大質(zhì)量星系——而設(shè)計(jì)的一套分類(lèi)系統(tǒng)。

通過(guò)將哈勃序列向右延伸，de Vaucouleurs（deVaucouleurs 1959）把類(lèi)似小麥哲倫云的矮不規(guī)則星系放在了序列的最右端。這一延伸完全符合哈勃序列已有的“秩序”，即越靠近序列右端的星系越傾向于具有更低的中心聚集度、更不顯著的旋臂結(jié)構(gòu)和更小的質(zhì)量等等。但是，矮星系的族群里也不只有遵守“秩序”的矮不規(guī)則星系。

沿著質(zhì)量這個(gè)維度從高往低走，在大約十分之一銀河系質(zhì)量的地方，星系的分布出現(xiàn)了兩個(gè)界限有些模糊的分支（圖2）。

一個(gè)分支上，星系的中心聚集度低于大質(zhì)量星系，且隨著質(zhì)量的減小而遞減（疏散支），另一個(gè)分支上，星系的中心聚集度接近甚至高于橢圓星系（致密支）。還有一類(lèi)游走于兩個(gè)分支之間，叫藍(lán)致密矮星系，它們近期形成的恒星的空間聚集度顯著高于普通矮不規(guī)則星系。

從哈勃序列已有的“秩序”來(lái)看，這些低于十分之一銀河系質(zhì)量的星系，除了位于疏散支上的矮不規(guī)則星系之外，其它矮星系類(lèi)型都顯得很“奇異”。

中心聚集度高的矮星系被看作“奇異”星系的原因自不必多說(shuō)。而對(duì)于疏散支，有一批常見(jiàn)的矮星系，它們形態(tài)的規(guī)則程度和平滑程度都類(lèi)似于橢圓星系，但其中心聚集度顯著低于后者，這正是哈勃當(dāng)初將它們標(biāo)記為奇異橢圓星系的原因。

站在星系質(zhì)量的分叉口上，人們對(duì)于哪些才是和大質(zhì)量橢圓星系對(duì)等的矮星系族群、以及“奇異”矮星系的形成機(jī)制產(chǎn)生了分歧。

以John Kormendy為代表的學(xué)者們認(rèn)為，致密支上的平滑星系是“真正”的矮橢圓星系，它們具有和橢圓星系相似的形成模式——都形成于星系間的并合；而疏散支上的平滑星系，則是矮不規(guī)則星系在氣體丟失后慢慢演變而成的?；诖耍琄ormendy等人建議：將疏散支上原本被叫做“矮橢圓星系”的那些家伙改名為球狀星系，然后把“矮橢圓星系”這個(gè)名頭移交給致密支上的星系。

但以Alister Graham為代表的學(xué)者們則認(rèn)為，疏散支上的平滑星系和橢圓星系，在結(jié)構(gòu)上形成了一個(gè)連續(xù)變化的序列，是名副其實(shí)的矮橢圓星系；而致密支上的那些家伙只不過(guò)是一些星系“零部件”而已。由于幾乎所有致密支上的平滑星系，都是在大質(zhì)量星系或星系團(tuán)等“惡劣”環(huán)境下被發(fā)現(xiàn)的，因此一個(gè)流行的觀點(diǎn)是，它們是一種殘存的致密星系核，由其前身星系的疏散恒星“外套”被潮汐剝離后而形成。

對(duì)于藍(lán)致密矮星系而言，導(dǎo)致其氣體聚集，從而恒星形成活動(dòng)高度集中的機(jī)制是什么呢？一種常見(jiàn)的觀點(diǎn)認(rèn)為，這是由近期發(fā)生的星系并合事件導(dǎo)致的；而筆者與合作者根據(jù)矮星系動(dòng)力學(xué)熱的特點(diǎn)提出——“劇烈盤(pán)不穩(wěn)定性”機(jī)制是驅(qū)動(dòng)藍(lán)致密矮星系內(nèi)氣體高效內(nèi)流和聚集的可能原因。

徹底揭開(kāi)這些“奇異”矮星系的身世之謎并非易事。但從上文可以注意到，星系并合是辨別各派觀點(diǎn)的一個(gè)重要因素。那么星系并合到底是怎樣一個(gè)物理過(guò)程？矮星系并合對(duì)改變星系的形態(tài)又有什么“奇效”呢？

Alar Toomre在1977年在耶魯大學(xué)舉辦的一個(gè)研討會(huì)上，提出了旋渦星系之間可以發(fā)生并合，從而形成橢圓星系的觀點(diǎn)。距此五年前的1972年，Alar Toomre和他的兄弟Juri Toomre利用計(jì)算機(jī)模擬星系的相互作用，成功重構(gòu)出了與觀測(cè)相符的潮汐橋和潮汐尾結(jié)構(gòu)。自此，人們開(kāi)始普遍接受這些星系的潮汐結(jié)構(gòu)起源于星系相互作用的觀點(diǎn)。

那么，星系并合是如何把以旋轉(zhuǎn)為主要運(yùn)動(dòng)形式的旋渦星系“捏合”成以無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)為主的橢圓星系的？原來(lái)，當(dāng)質(zhì)量相近的星系發(fā)生碰撞和并合時(shí)（即主并合），引力場(chǎng)的空間分布會(huì)劇烈且快速（幾億年左右）地變化，間接“促成”了恒星之間的快速能量交換（意味著“忘記”它們?cè)械倪\(yùn)動(dòng)狀態(tài)），并使整個(gè)系統(tǒng)趨向于新的平衡。在這個(gè)劇烈弛豫（即快速趨向平衡）的過(guò)程中，并合遺跡的中心聚集度不斷增大。

不過(guò)，Toomre提出其星系并合及橢圓星系形成的觀點(diǎn)時(shí)，只考慮了星系的恒星成分。這導(dǎo)致其理論面臨三個(gè)棘手的問(wèn)題。首先，根據(jù)典型星系群（galaxy groups，最利于發(fā)生星系并合的環(huán)境）中星系的數(shù)密度和速度彌散來(lái)推算，在137億年的宇宙演化歷史里，星系盤(pán)之間發(fā)生碰撞的幾率低到可以忽略不計(jì)；其次，即使兩個(gè)星系盤(pán)碰巧發(fā)生了相互作用，也會(huì)因?yàn)殡y以轉(zhuǎn)移掉相互繞轉(zhuǎn)的角動(dòng)量，而無(wú)法發(fā)生并合；最后，橢圓星系中心附近的相空間（即速度和位置構(gòu)成的六維參數(shù)空間）密度[1] 一般高于旋渦星系，而恒星系統(tǒng)無(wú)碰撞的特點(diǎn)意味著它們的并合無(wú)法提高相空間密度。

隨后，人們很快找到了解決這三個(gè)棘手問(wèn)題的得力“幫手”，那就是暗物質(zhì)暈和氣體。

首先，在上世紀(jì)70年代末到80年代初，越來(lái)越多的觀測(cè)表明，星系的周?chē)坪跗毡榇嬖谝粋€(gè)尺度（和質(zhì)量）比其發(fā)光成分（包括恒星和氣體）大一到兩個(gè)量級(jí)的暗物質(zhì)暈，這相應(yīng)地將星系并合發(fā)生的幾率提高了兩到四個(gè)量級(jí)。而一旦發(fā)生并合，暗物質(zhì)暈通過(guò)施加動(dòng)力學(xué)摩擦，可以有效地“吸收掉”星系盤(pán)之間的繞轉(zhuǎn)角動(dòng)量。上述三個(gè)問(wèn)題中的兩個(gè)隨即得到解決。

其次，和恒星成分不同，氣體成分可碰撞，并且可以通過(guò)輻射降溫。當(dāng)兩個(gè)星系以幾十到幾百公里每秒的速度相互接近時(shí)，其中的冷氣體會(huì)以超音速發(fā)生碰撞并產(chǎn)生激波加熱，這個(gè)過(guò)程可以把動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，并通過(guò)輻射將其耗散掉。

并合過(guò)程中的潮汐作用會(huì)使星系顯著偏離軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，這極利于氣體成分轉(zhuǎn)移掉角動(dòng)量而流向星系中心區(qū)域，繼而可能在中心“引爆”劇烈的恒星形成活動(dòng)，增加并合遺跡中心區(qū)域的恒星數(shù)密度。并合導(dǎo)致氣體內(nèi)流的想法得到了計(jì)算機(jī)模擬的支持。

除了相當(dāng)一部分氣體被“轉(zhuǎn)移”到星系中心區(qū)域之外，還有一部分氣體會(huì)被潮汐力“甩”到離星系中心很遠(yuǎn)的地方（可以遠(yuǎn)達(dá)數(shù)十倍的星系半徑之外）。隨著星系并合的完成，絕大部分被甩出去的氣體會(huì)慢慢回流，在“并合殘骸”之上形成一個(gè)新的氣體盤(pán)。不難想象，如果這個(gè)氣體盤(pán)足夠大，并且能夠形成恒星，并合殘骸會(huì)被慢慢披上盤(pán)狀（旋渦）星系的“外衣”。

大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，上述并合過(guò)程確實(shí)發(fā)生在了旋渦星系之間，而且那些經(jīng)歷了“鳳凰涅槃”的主并合遺跡，表現(xiàn)出了和普通橢圓星系一致的結(jié)構(gòu)特征。星系并合不但可以提高恒星形成的效率，還能夠“喚醒”休眠（不再活躍地吸收物質(zhì)）中的大質(zhì)量黑洞[1] [2] ，觸發(fā)活動(dòng)星系核。

這些較為確切的觀測(cè)證據(jù)都集中在大質(zhì)量星系上，而矮星系并合的相關(guān)研究，進(jìn)展則極為緩慢。造成這個(gè)現(xiàn)狀的原因至少有兩個(gè)方面。首先，正如哈勃序列所展示的，晚型矮星系本身往往具有不規(guī)則的形態(tài)，這給從形態(tài)來(lái)證認(rèn)并合星系的常用做法帶來(lái)了挑戰(zhàn)。其次，普通矮星系的面密度較低，因而伴隨并合過(guò)程的潮汐子結(jié)構(gòu)也會(huì)更加暗弱，這進(jìn)一步增加了證認(rèn)并合事件的難度。

讀者可能會(huì)問(wèn)，難道矮星系并合和大質(zhì)量星系并合會(huì)有很大的不同嗎 ? 答案是肯定的，很可能會(huì)有，因?yàn)榘窍挡缓?jiǎn)單是“微縮版”的大質(zhì)量星系。

首先，星系的金屬豐度和質(zhì)量之間是負(fù)相關(guān)的，而金屬豐度在氣體冷卻和恒星形成等方面扮演著重要而復(fù)雜的角色。其次，由于矮星系的自引力束縛弱，其氣體分布（因而恒星形成）更容易受到星風(fēng)、超新星爆發(fā)等極端反饋過(guò)程的影響。最后，矮星系的氣體占比可以達(dá)到大質(zhì)量星系的數(shù)倍到幾十倍，由于氣體和恒星系統(tǒng)具有截然不同的熱力學(xué)性質(zhì)，這勢(shì)必會(huì)影響星系的演化軌跡。

圖6：近期被證認(rèn)的一個(gè)矮星系并合遺跡VCC848，深度光學(xué)圖像揭示了并合過(guò)程中留下的延展恒星殼層結(jié)構(gòu)（左圖紅色弧線(xiàn)所指示），圖片來(lái)源：Zhang et al. 2020a

回到“奇異”矮星系的“身世”問(wèn)題上，星系并合在它們的形成中到底扮演了什么角色？科學(xué)家至今仍沒(méi)給出一個(gè)絕對(duì)的答案。筆者與合作團(tuán)隊(duì)最近證認(rèn)了一個(gè)富含氣體的矮星系并合遺跡，并首次比較清楚地“描繪”了矮星系并合事件是如何影響星系的恒星形成歷史和結(jié)構(gòu)演化的。

這個(gè)并合遺跡的恒星總質(zhì)量約為銀河系的2.5%。它現(xiàn)在的氣體和恒星質(zhì)量的比值約為3。如果考慮到并合期間被恒星形成所消耗掉的氣體，并合發(fā)生前的氣體和恒星質(zhì)量的比值約為6，這是銀河系相應(yīng)比值的近8倍。

暴露其并合起源的，是分布在遺跡東西兩側(cè)的恒星殼層潮汐結(jié)構(gòu)。這些幾乎對(duì)稱(chēng)分布的殼層結(jié)構(gòu)，反映了前身星系是以接近正碰的角度相撞的。最外圍殼層結(jié)構(gòu)的面亮度低于暗夜天光亮度的千分之五！分析表明, 這個(gè)遺跡產(chǎn)生于對(duì)星系結(jié)構(gòu)“重塑”最徹底的主并合。[1] [2] 

圖7：對(duì)VCC848形成的多體／流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)模擬，圖中展示了恒星成分沿視線(xiàn)方向的面密度分布隨著星系并合的演化，圖片來(lái)源：張紅欣

對(duì)這個(gè)并合事件的計(jì)算機(jī)模擬表明，大約在14-15億年前，兩個(gè)星系以不到一百公里每秒的相對(duì)速度接近（如果速度太快，就只會(huì)擦肩而過(guò)而不發(fā)生并合），并發(fā)生了首次碰撞。此后，它們便“飛蛾撲火”般地在引力支配下反復(fù)對(duì)沖，直至被潮汐力徹底瓦解。

恒星形成方面，并合過(guò)程中的平均恒星形成率是并合前的7-10倍。這使得恒星總質(zhì)量在不到星系年齡10%的10億年里增加了約70%。這些新形成的恒星并不集中在遺跡的中心區(qū)域，而是分布在圍繞中心約五千光年的范圍內(nèi)。由于并合趨于尾聲，整個(gè)系統(tǒng)的恒星形成的強(qiáng)度已經(jīng)降到了普通矮不規(guī)則星系的水平。

結(jié)構(gòu)演化方面，并合遺跡的恒星面密度大體上以指數(shù)函數(shù)的形式，從內(nèi)向外下降，這表明其以盤(pán)結(jié)構(gòu)為主。此外，對(duì)氣體旋轉(zhuǎn)速度空間分布的分析表明，遺跡的中心質(zhì)量密度（包括重子物質(zhì)和暗物質(zhì)）和普通矮不規(guī)則星系相似，但遠(yuǎn)低于典型的（藍(lán)）致密矮星系。

圖8：VCC848在星系中心“恒星面亮度—質(zhì)量密度”平面上的位置。實(shí)心五角星代表直接測(cè)量值，空心五角星代表做過(guò)傾角改正后的值。圖片來(lái)源：張紅欣

也就是說(shuō)，雖然這個(gè)星系的中心面亮度符合對(duì)藍(lán)致密矮星系的定義，但從質(zhì)量分布上來(lái)看，它是一個(gè)正常的矮不規(guī)則星系。

在這個(gè)已經(jīng)趨于尾聲的并合事件里，低中心聚集度的矮星系沒(méi)有被“捏合”成致密星系。其中的主要原因還未完全搞清楚。除了上文提到的金屬豐度低和自引力束縛弱兩個(gè)方面，我們還意識(shí)了到以下可能：

氣體成分的占比遠(yuǎn)高于恒星成分時(shí)，會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的后果。一方面，由于具備“碰撞”和“輻射降溫”這兩個(gè)特質(zhì)，氣體成分會(huì)先于恒星成分建立起新的準(zhǔn)平衡狀態(tài)，使整個(gè)系統(tǒng)的引力場(chǎng)很快趨于穩(wěn)定，而處于“從屬地位”的恒星成分則不能充分施展其“劇烈弛豫”的“本事”；另一方面，“微弱”的恒星成分在并合過(guò)程中不能提供強(qiáng)勁的引力扭矩，這可能會(huì)降低氣體轉(zhuǎn)移角動(dòng)量和內(nèi)流的效率。

并合遺跡的形態(tài)特征，如中心聚集度和質(zhì)量面密度輪廓等，主要取決于前身星系之間的質(zhì)量比，而不在于碰撞的角度。因此，以上研究結(jié)果對(duì)于富含氣體的矮星系主并合具有一般性的啟示意義。當(dāng)然，全面理解星系并合對(duì)矮星系演化的影響需要對(duì)較大的樣本開(kāi)展類(lèi)似的研究。

如果星系并合不能將低面密度矮星系“捏合”成高中心聚集度的星系，那就不排除“疏散支”上的一些矮橢圓星系曾經(jīng)歷了并合，而筆者團(tuán)隊(duì)也確實(shí)在一些矮橢圓星系中發(fā)現(xiàn)了主并合留下的痕跡。因此，不能因?yàn)槠涫枭⒌摹巴獗怼倍卸ㄆ湫纬赡Ｊ揭欢ú煌跈E圓星系。

“疏散支”上的矮不規(guī)則星系和矮橢圓星系之間，在結(jié)構(gòu)上似乎沒(méi)有不可逾越的鴻溝。因此，環(huán)境因素，如沖壓剝離、潮汐擾動(dòng)等，將矮不規(guī)則星系“改造”成矮橢圓星系是可能的。對(duì)于致密矮星系，環(huán)境因素可能在其形成過(guò)程中扮演了最重要的角色，但具體是哪些環(huán)境因素卻仍然是個(gè)謎。北京大學(xué)的杜敏等人最近提出了“沖壓約束”機(jī)制來(lái)解釋致密矮星系的形成。

宇宙的原初星系和矮不規(guī)則星系在質(zhì)量、氣體占比和金屬豐度等方面接近。因此，星系并合在星系形成的最初階段可能無(wú)法推動(dòng)星系結(jié)構(gòu)的快速演化。

限于篇幅，本文聚焦在了星系并合的“作用機(jī)理”上，而沒(méi)有在宇宙學(xué)框架下去探討其在星系演化歷史中扮演的角色。值得一提的是，雖然旋渦星系的主并合可以形成橢圓星系，但近年來(lái)的研究表明，對(duì)于相當(dāng)一部分的橢圓星系，主并合可能只在其形成之初扮演了重要角色。在不同的宇宙時(shí)期，星系自身的性質(zhì)和所處的環(huán)境不同，推動(dòng)其演化的主要機(jī)制也會(huì)不同。