纸风车，是很多朋友的童年记忆之一。一张正方形的彩纸，沿着对角线对折裁剪，四个角依次弯曲拉到中心，再用大头针穿过中心钉到小木棒上，一个纸风车就做好了。风一吹，纸风车便转动起来，伴随着孩童那惊讶而又快乐的笑脸。在这里，流动的空气作用于弯曲的叶片，在叶片上产生压力差和推动力，在纸风车轴心形成力矩，使纸风车旋转起来。
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图1 风车星系M101（Credit: ESA & NASA）
在宇宙中，有一类分布广泛的星系——旋涡星系（spiral galaxy），呈盘状，旋臂环绕，看起来就像风车，尤其是在它们的盘面正对我们的视线时更为明显。著名的例子是北天大熊座的M101，它就被赋予了一个充满诗意的名字——风车星系；还有南天长蛇座的M83，被唤作南风车星系。我们居住的银河系，还有邻居仙女星系（M31），也都是旋涡星系。不巧的是，我们身处银河系当中，而仙女星系的盘面与我们的视线有比较大的倾角，所以在我们的眼中，它们并不像风车。但是，在某些角度合适的遥远星系看来，银河系也是一个漂亮的风车星系。正如它的名字一样，风车星系也会像风车一样转动。事实上，宇宙中的每个星系，都有不同程度的旋转。
人类对星系旋转的探索和认识过程，是一段值得诉说的故事。
最初的线索：仙女座"星云"的旋转
故事从1910年代开始。那是一个变革的时代。在中国，辛亥革命爆发，清朝灭亡，历史的巨轮摧枯拉朽，滚滚向前。在德国，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）发表了广义相对论，带来了新的引力和时空观。在丹麦，尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）提出了新的原子模型，量子力学的发展继续高歌猛进。
那时候，很多天文学家认为银河系就是整个宇宙。虽然已经观测到包括M31在内的很多“旋涡星云（spiral nebula）”，天文学家还在争论它们究竟是位于银河系内的气体云或者星云，还是银河系外的独立系统——“岛宇宙（island universe）”。在那时候的文献里，M31被叫做“仙女座星云”。它被确认是河外星系，还要等待十余年之后，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）通过观测M31的造父变星精确测量距离，确证它的距离远超银河系大小。
当时，维斯托·斯莱弗（Vesto Slipher）在美国亚利桑那州洛威尔天文台（Lowell Observatory）担任助理。在利用光谱测量研究行星和恒星多年之后，他的兴趣开始转向让人困惑的星云。然而，这不是一个容易的任务，因为旋涡星云比近邻的行星和恒星要暗得多，斯莱弗需要对摄谱仪进行大量的测试和提升，并且需要进行长达几十个小时的曝光，以获得信噪比足够高的观测数据(Slipher 1915;Brémond 2009)。正是在星云光谱测量方面的出色工作，让他青史留名。
光谱测量是获取天体信息的有力工具。不同原子或分子会在特定波长发出或吸收光线，形成独特的特征谱线，就像它们的身份条形码。类似于三棱镜将太阳光分解为彩虹，天文学家可以将望远镜捕捉到的遥远天体的光分解成不同波长的单色光，得到天体的光谱。在光谱中识别出特定元素或分子的特征谱线，可以判断该天体中是否含有这些物质。如果天体与我们发生相对运动，这些谱线的波长就会发生变化——当天体朝我们靠近时，谱线会向短波方向移动（称为蓝移）；而当它们远离我们而去时，谱线则向长波方向偏移（称为红移）。这种现象被称为多普勒效应，原理类似于救护车驶近或者远离我们时，警笛声的音调发生变化。通过测量谱线的偏移量，天文学家就可以推算出天体与地球的相对速度。
图2 星系光谱的多普勒效应。与静止情况相比，当星系远离我们而去时，元素的特征谱线（这里以吸收线为例）向长波方向偏移（红移）；当星系朝我们靠近时，谱线向短波方向偏移（蓝移）。通过测量谱线的偏移量，可以推算出星系与地球的相对速度。(Credit: Nigel Henbest, michael Martin)
1912年，借助天文台的24寸望远镜，斯莱弗对“仙女座星云”进行了多个晚上的光谱观测。他发现“仙女座星云”整体上以约300 km/s的视线速度向我们靠近。此外，如果仔细比较沿着“仙女座星云”长轴方向不同位置的光谱，就会发现星云中心一侧的视线速度相比中心更大，而另一侧则更小。在垂直于长轴的短轴方向，不同位置的速度与中心几乎一样。这意味着星云在绕着短轴旋转。除了“仙女座星云”，斯莱弗还测量了包括NGC 4594（草帽星系）在内的另外六个旋涡星云的速度信息，确认了旋涡星云的旋转是一个普遍现象 (Slipher 1914; Pease 1917, 1918; Brémond 2009)。
图3 1910年代测得的“仙女座星云”速度曲线。横轴为偏离中心的位移，单位为角秒，0为中心位置。纵轴为速度，单位为km/s。十字形表示沿着长轴的结果，圆圈表示沿着短轴的结果。沿着主轴方向的速度变化意味着“仙女座星云”在旋转。（Credit: Pease 1918）
星系旋转曲线：暗物质的仙踪
斯莱弗当年的观测只是局限于亮度较高的中心区域——大约是 500 pc（秒差距pc是天文中常用的长度单位，1 pc大约是3.26光年）以内的范围，约为星系盘长轴的2%。在更大半径处，星系的旋转速度是多少呢？这个问题的答案——星系旋转曲线（即星系不同半径处的旋转速度），与星系的物质分布息息相关。
根据旋涡星系在可见光波段的观测，星系盘的物质分布集中于中心区域。因此，可以预期在星系盘的外围，恒星或气体的公转速度会随着半径增加而下降。这类似于太阳系，位于中心的太阳在质量上占主导（就连八大行星中的“巨无霸”——木星的质量也不到太阳的千分之一），越是远离太阳的行星，其公转速度越慢。这正是著名的开普勒第三定律的体现。
对星系旋转曲线测量做出了卓越贡献的是一位了不起的天文学家——薇拉·鲁宾（Vera Rubin）。鲁宾在童年时代就对天文产生了浓厚兴趣，并且得到了父母的大力支持。在求学之路上，她一直都是那种家长口中“别人家的孩子”式的学霸。在男性主导的科学领域中，她克服了性别原因带来的重重障碍，有着一段让人钦佩的科学历程。
从1960到1980年代，鲁宾与肯特·福特（Kent Ford）对包括仙女星系在内的数十个旋涡星系做了极高精度的光谱测量，将星系旋转曲线的半径范围拓展到了星系盘长轴的80-90%。让所有人惊讶的是，这些星系的旋转曲线并没有在外围下降，反而保持平坦，甚至在个别情况还略微上升(Rubin et al. 1970, 1978, 1980, 1985)。这意味着在这些星系中，除了可见的恒星和气体之外，还存在大量不可见的物质。正是这些“看不见”的物质提供了额外的引力，使得外围的恒星和气体能够以很高的速度绕着星系中心旋转，不会被甩出星系之外。
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图4 M33星系旋转曲线的真实测量（实线）与只考虑可见星系盘的物质分布的理论预言（虚线）比较。两者的不一致意味着暗物质的存在。（Credit: Mario De Leo）
这些“看不见”的物质现在被称为暗物质。鲁宾对星系旋转的研究给暗物质的存在提供了第一个让人信服的证据。在后续几十年里，暗物质的存在得到了更多不同独立天文观测的支持，包括宇宙微波背景、子弹星系团、引力透镜效应等等。通常认为，暗物质只参与引力相互作用，而不参与电磁相互作用，因此既不发光也不吸收光，所以不为我们所“见”。
星系旋转研究带来的暗物质发现改变了我们对宇宙和星系结构的认识。按照现行的标准宇宙学模型，我们看得见的物质（也被称为重子物质）只占宇宙物质能量成分的4%，看不见的暗物质占据了26%，而剩下的70%是更加神秘莫测的暗能量。每个可见星系都居住在一个更大的、近似球状的暗物质结构中，这个暗物质球状结构被称为“暗物质晕”，或者简称为暗晕。可见的星系盘位于暗晕的中心，半径通常不超过暗晕半径的十分之一左右。
图5 星系的现代图像：可见部分只是总质量的一小部分，它被包裹在一个看不见的暗物质晕中。
旋转的起源：潮汐力矩理论
在宇宙中，并没有“微风”来吹动旋涡星系这些“风车”。那么，星系的旋转从何而来呢？发端于1950年代的潮汐力矩理论（Tidal torque theory;Hoyle 1951; Peebles 1969; Doroshkevich 1970; White 1984）可以告诉我们答案。
首先来看质量占主导地位的暗晕。在宇宙早期，物质的分布并不完全均匀，不同地方存在微小的密度涨落（大约是十万分之一的差别）。其中，密度峰值所处的区域就是未来暗晕的“种子”——原初暗晕。在自身引力作用下，一个原初暗晕的物质团块会逐渐聚集，密度不断升高， 最终塌缩形成暗晕。在这个过程中，原初暗晕会受到周边非均匀分布的其他物质团块的引力拉扯，就像一块未成形的面团被不同方向的“拉力”拉拽一样，渐渐获得了旋转。这个物理机制被称为“潮汐力矩”，正是它让原初暗晕开始自转，获得了角动量（衡量物体旋转程度的物理量）。塌缩之后，暗晕早期通过潮汐力矩获得的角动量就保留了下来。
图6 原初星系在早期演化过程中，会受到周边不均匀物质分布的潮汐力矩作用，获得角动量。
至于原初星系中质量较少的重子物质（早期主要以气体的形式存在），它会随着暗物质的聚集而一起塌缩，并获得与暗物质相同的约化角动量（即单位质量的角动量一样）。在塌缩过程中，气体的引力势能转化为动能，形成了一个类似暗晕的热气体晕。但是，气体和暗物质在之后的演化中就分道扬镳了——
由于电磁相互作用，气体的微观粒子之间可以发生碰撞。比如说，通过与电子的碰撞，原子可以被激发到更高的能态，再自发地发出光子回到基态。这个源于量子力学的碰撞激发机制将气体的动能转化成了辐射能。它与其他辐射致冷机制一起，让气体动能变低，冷却下来。由于辐射致冷过程各个方向上都是一样的，气体的角动量保持守恒。随着温度降低，气体逐渐沉降到暗晕中心，形成一个旋转的气体盘。只要盘中的气体密度足够高，温度足够低，就会形成恒星，逐渐演变成我们今天看到的旋涡星系。按照这个星系盘形成理论 (Fall & Efstathiou 1980; Mo et al. 1998)，暗晕（或热气体晕）的角动量决定了最终恒星盘的半径大小：暗晕角动量越大，恒星盘越延展，反之亦然。
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图7 星系盘的形成过程。
故事还在继续：并未如此简单？
对星系旋转的研究贯穿了几乎整个20世纪，伴随着人类对银河系和宇宙结构认识的不断深入。进入新世纪，故事还在继续。
在星系演化的后期和小尺度上，演化过程高度非线性，并且涉及纷繁复杂的物理过程（例如引力相互作用、气体的流体力学演化、气体冷却、恒星形成、超新星反馈、超大质量黑洞吸积和活动星系核反馈）。事实上，像潮汐力矩理论和星系盘形成模型那样能够用纸和笔来推导的解析理论并不多见。虽然这些理论给我们提供了非常优美的物理图像，它们往往依赖一定的近似假设，其定量结果究竟有多准确，还需要小心检验。
高性能并行计算平台和数值代码的快速发展，让天文学家可以在超级计算机上模拟宇宙结构的演化。与传统解析理论相比，宇宙学数值模拟可以更加精确地求解非线性的过程，并同时考虑更多物理机制。可以说，宇宙学模拟就是在计算中“虚拟”一个宇宙，从大爆炸之后大约一千万年演化到今天的138亿年。这个目标是相当地雄心勃勃。尽管目前模拟仍受限于计算能力和分辨率，但是它已经成为天文学家理解和定量研究星系演化不可或缺的工具。
让人惊叹的是，将潮汐力矩理论的理论计算与数值模拟的结果比较时，天文学家发现该理论相当有效。例如，潮汐力矩理论预言的角动量大小大约是模拟结果的3倍，角动量方向的预言误差大约在30度以内，这在星系形成理论中已是相当成功的表现（Sugerman et al. 2000; Poriani et al. 2002a, 2002b; Sheng et al. 2023）。然而，当科学家进一步去检查数值模拟中的星系盘半径和暗晕的角动量关系时，不同模拟的结果并不完全一致，有的支持经典理论预言，有的则未观察到(Jiang et al. 2019; Yang et al. 2023)。这可能与不同模拟对相关物理过程的具体实现有关，也可能反映出除了角动量之外，暗晕的其他物理性质对星系盘尺寸也有重要影响。目前尚无定论。
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图8 超弥散星系NGC 1052-DF2。它看起来像是天幕中一个模糊、弥散的光斑，几乎与背景融为一体，甚至透过它可以清楚地看到遥远的背景星系。超弥散星系的直径可能与银河系相当，但恒星却极其稀少，因此看起来“虚无缥缈”。（Credit: NASA, ESA, Pieter van Dokkum）
近年来，天文学家还在观测中发现了一批特殊的低表面亮度星系。顾名思义，这些星系非常暗淡，但是它们的恒星分布却异常延展，因此被称为“超弥散星系”（ultra-diffuse galaxies,van Dokkum et al. 2015）。为什么超弥散星系的半径比相同亮度的星系要更大？一种猜测认为它的宿主暗晕角动量特别大 (Amorisco & Loeb 2016; Rong et al. 2017)，但也可能是其他机制。例如，一系列年龄相仿的恒星在生命末期发生超新星爆炸，瞬间释放出巨大的能量，将星系中心的气体驱散到外围甚至是暗晕半径之外，导致引力势阱变浅，恒星重新分布，形成弥散结构 (Di Cintio et al. 2017)。不同的数值模拟支持了这些不同的物理机制 (Zheng et al. 2025)。超弥散星系究竟是怎样形成的？目前仍是一个未完全解决的问题。
此外，还有一个更大的谜团是——暗物质的本质究竟是什么？这是当前物理学领域最大的未解之谜之一。
经过一个多世纪的探索，我们已经知道了很多，但是也发现有更多的谜团在等待着我们去揭晓。在深邃的夜空中，那些“宇宙风车”依然静静旋转，继续激发着一代代智慧生命的好奇和想象。
结束语
正如星系的旋转这段故事，人类认识和探索自然界的过程，总是充满挑战，曲折迂回。但是，想象一下，人类居住在地球这个并不起眼的“暗淡蓝点”上，与星系的空间跨度相比，犹如一粒尘埃漂浮在浩瀚的太平洋；人类文明历史与星系的时间跨度相比，宛如一秒之于一年。如此渺小的我们，却可以理解如此广袤的星系甚至是整个宇宙。这是人类理性和信念的荣光，也是科学探索的魅力之所在。
参考文献
参考文献：
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
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Pease F. G., 1918, PNAS, 4, 21
Peebles P. J. E., 1969, ApJ, 155, 393
Poriani C., et al., 2002a, MNRAS, 332, 325
Poriani C., et al., 2002b, MNRAS, 332, 339
Rong Y., et al., 2017, MNRAS, 470, 4231
Rubin V. C., Ford W. K., 1970, ApJ, 159. 379
Rubin V. C., et al., 1978, ApJ, 225, L107
Rubin V. C., et al., 1980, ApJ, 238, 471
Rubin V. C., et al., 1985, ApJ, 289, 81
Sheng M.-J., et al., 2023, ApJ, 943, 128
Slipher V. M., 1914, Lowell Observatory Bulletin, 2, 66
Slipher V. M., 1915, Popular Astronomy, 23, 21
Sugerman B., et al., 2000, MNRAS, 311, 762
van Dokkum P., et al., 2015, ApJL, 798, L45
White S. D. M., 1984, ApJ, 286, 34
Yang H., et al., 2023, MNRAS, 518, 5253
Zheng H., et al., 2025, arXiv:2504.14973
来源：中国科学院国家天文台
编辑：yhc
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