宇宙中的星系如同繁星点缀的岛屿，形态各异。有的像旋转的飞盘（旋涡星系），有的像光滑的椭圆（椭圆星系），还有的介于两者之间（透镜星系）。这些形态差异背后，隐藏着星系百亿年的演化历史。近年来，科学家通过超级计算机模拟和运动学分解技术，揭开了星系不同结构——盘、核球和恒星晕——的起源之谜。星系宇宙学具有极高的复杂度和分析难度，然而数值模拟却已经进入了能够帮助我们比较精确理解星系形成与演化的层次。

一、论认知宇宙的理论探索与实验验证之方法论辩证 

天文学研究长久以来是依赖观测的科学，然而，观测本身也面临着极大的困难。当前天文观测存在三重先天性约束：时空维度的降维压缩（从4D时空到2D天球投影）、机制混杂性（暗物质引力与重子物质相互作用的非线性耦合）以及考古学困境（不同红移观测构成了不完整的时序断片）。以星系演化为例，因涉及各种复杂的物理过程（像暗物质相互作用、恒星形成等）交织在一起，我们却只能看到它们某个时间点的“快照”，就像从一张照片推测电影剧情一样，很难看出几十亿年的完整变化。再加上宇宙空间尺度差别极大（从分子云到整个宇宙网），而我们能获取的数据量又有限，这让研究者就像拿着模糊的地图找路，很多结论只能靠猜测。 

这种依赖观测来归纳规律的研究方法会导致三个主要的困境。第一，容易“头疼医头”：比如发现星系突然停止产生恒星（现象），可能同时有黑洞喷发、暗物质影响等多种原因，只盯着现象看很难抓住主要因素。第二，各学科分开研究：有人专门分析恒星分布，有人专注气体运动，结果像“盲人摸象”，难以整体理解星系演化。第三，固有观念难打破：比如早期理论认为星系主要通过碰撞合并变大，但最新发现很多稳定星系其实是慢慢吸积气体形成的。天体物理学家面临的挑战类似赫拉克利特的河流悖论——我们观测到的星系图像既是真实的当前状态，又已是历经演化改变后的产物。

二、模拟宇宙的超越：我向宇宙发问，什么是“终级”？

为了追溯星系的演化，科学家利用多体+流体星系宇宙学模拟，在一个边长为数亿光年的虚拟盒子中，追踪暗物质、气体和恒星从宇宙大爆炸至今超百亿年的演化历程，如IllustrisTNG、EAGLE等模拟。模拟结果证实了广义相对论框架下冷暗物质模型（ΛCDM），使得理论推演已不再停留于经验关联的简单归纳，而是形成了"暗物质晕生成和成长→星系形成→动力学演化"的完整因果链。这种理论完备性为星系宇宙学研究开辟了理性主义新维度。如同笛卡尔在《方法论》中强调的理性建构原则：“当物理框架具备充分自洽性时，理论推演可作为独立的认识论路径。”因此，数值模拟提供的时间轴和因果论重建能力，恰如黑格尔辩证法的"扬弃"机制，能够将碎片化的观测数据融入理论发展的螺旋上升过程。中国古代"格物致知"的认知传统在此获得新的注解——"格数值模拟之‘物’，致宇宙演化之‘知’"。现代宇宙学研究既需要《易传》"观象制器"的观察智慧，更需要《道德经》"道生一，一生二"的生成论思维。当代宇宙学研究的突破方向，既非实证主义的经验堆砌，也非纯粹的逻辑思辨，而是怀特海过程哲学指引的"创造性综合"。当IllustrisTNG、EAGLE等数值模拟程序成功重现宇宙与星系的复杂演化历史，我们见证的正是理论推演与实验验证在认识论螺旋中的辩证统一。

三、星系结构的认识与演进 

1.传统星系分类方法及其局限性

哈勃星系分类是基于星系形态的分类体系，由埃德温·哈勃于20世纪20年代提出，形成著名的“哈勃音叉图”（图1）。该分类体系将星系分为三大类：椭圆星系（E）、旋涡星系（S）和棒旋星系（SB）。椭圆星系的形状从近圆到扁长，缺乏旋臂且恒星年老化明显；旋涡星系从Sa到Sd子类，核球占比递减同时旋臂更松散；棒旋星系则因中心棒状结构进一步细分（SBa-SBd）。此分类不仅描述了星系的形态差异，还暗示其演化路径，例如椭圆星系可能通过并合形成，而旋涡星系源自气体有序塌缩。现代研究整合结构、动力学等多维度数据持续扩展其框架。

星系演化及内部动力学过程主要由其转动特性决定——盘结构质量比例较高的星系往往经历较少的外界扰动和破坏（如并合事件），其演化过程更符合内禀动力学机制主导的演化模式。当前广泛使用的哈勃星系分类体系存在显著局限性，无法有效的体现星系的本征结构，具体表现为以下两点：

l形态学核球识别误差：基于形态学拟合的核球提取方法具有高度不确定性，且无法精准判定星系中心亮度较高结构的运动学性质；

l旋涡特征有效性不足：传统分类中依赖旋臂及棒状结构的观测特征，难以有效表征星系中盘结构的质量分布特征。

图1. 哈勃音叉图。椭圆星系E0-6，S0-Sc为普通的盘星系，SB0-SBc为棒旋星系，Irr为不规则星系。此分类体系无法表征星系的本征运动学性质。

2.基于数值模拟的本征结构提取与星系分类 

（1）建立星系结构的“通用零件库”——本征结构的提取

星系虽然形态各异，但就像用同一组乐高积木搭建不同的模型，本质上可能由几种基础零件（本征结构）组成。比如旋涡星系的盘、椭圆星系的核球或外围的恒星晕，都可能对应特定的形成机制。由于恒星之间极少发生碰撞，它们的运动轨迹就像被封存的“宇宙档案”——通过分析恒星的运动特征（转动有序性、轨道稳定度等），科学家可以逆向解析星系结构的形成密码。

基于无监督机器学习算法，厦门大学杜敏副教授与北京大学何子山教授等天文学家发展的“星系自动体检”工具auto-GMM算法，正是利用了这一原理。它通过三个关键指标（图2）扫描恒星群体：

“切向旋转强度”：衡量恒星像旋转木马一样有序转动的比例；

“引力束缚强度”：反映恒星被星系核心引力束缚的紧密程度；

“旋转混乱度”：检测恒星轨道是否显著地偏离特定平面转动。

基于这些参数，算法会自动将恒星分类为盘、核球和恒星晕三大基础组件。auto-GMM算法实现了全自动化、准确且智能的星系结构拆解，星系中每一颗恒星三维的位置和运动状态信息都被考虑进来，通过统计学中的贝叶斯判据，算法自动决定最佳分类方案，避免人类主观介入导致的误判。此研究发现星系的三种主要的本征结构为：转动性很强的盘、致密且转动性很弱的核球和疏散且转动性很弱的恒星晕。在传统的星系结构和分类中，恒星晕结构长期被忽略。进一步地，此算法能够先拆出主要组件，再对每个结构进行次级拆分（例如动力学温盘的发现），就像用显微镜逐级放大细节。

图2. 提取星系本征结构的关键指标：切向旋转强度、引力束缚强度和旋转混乱度。分别表征星系中恒星的不同运动学性质。 

图3 星系在先天内禀机制和后天并合机制主导下的演化示意图。星系的早期演化形成核球结构，晚期演化形成盘结构。强烈的并合过程能够破坏盘形成恒晕。

（2）星系的两种基本演化路径：先天内禀 vs. 后天并合

星系宇宙学模拟揭开了星系的两种基本演化路径：无并合的影响下星系以“先天内禀”的演化机制主导（图3上）。在星系的青春期（约110亿年前），星系处于剧烈坍缩期和并合过程中，气体在短时间内转化为大量恒星，形成致密且转动缓慢的核球。之后，步入成年的星系具有比较稳定的引力势场中心和基本形态，星系通过进一步气体吸积气体和恒星形成累积质量，转动较强的盘结构形成并快速扩展。在先天内禀机制主导的演化过程中，星系的宿主暗物质晕的角动量如同遗传密码，高角动量孕育更大的盘结构，低角动量则能够催生更小的盘和更大质量的核球。由于星系中心超大质量黑洞的增长和星系中气体的快速消耗，部分核球主导星系能够启动“内部淬灭”，中心黑洞反馈阻断气体供应，导致恒星形成逐步停止。由于星系内部盘结构存在动力学不稳定性，当此不稳定性超过某临界值时，将诱发全局不稳定性，能够激发形成棒和旋臂结构，因此形成旋涡星系和棒旋星系。如果在之后成熟期星系没有经历外在的强烈干扰，能够平稳的进入晚年，那么星系的演化会遵循一系列的相关关系。 

相对应的，后天的并合或与近邻星系的相互作用对前身星系具有极强的破坏性（图3下）。合并事件能够重塑星系的性质和演化命运。强烈的并合能够破坏星系原有的转动性和动力学平衡状态，摧毁原有盘结构形成大质量的弥散的恒星晕结构，这一类结构由随机运动所主导，成为椭圆星系。其中，有一些星系仍然能够通过进一步的吸积气体和恒星形成产生质量较小的盘结构，其形态类似“草帽”，称为类草帽星系。类草帽星系可能普遍存在，因这一类星系从形态上很难与普通盘星系区分开，常常被划分成普通旋涡或棒旋星系。这一类星系具有的巨大的恒星晕难以在传统分类体系中识别出来，这一误判很可能导致天文学家对核球和盘形成机制的认识存在严重问题。另外，并合过程也能够在一定程度上促进核球并合和进一步增长，较小质量的并合则为星系的恒星晕增添新成员恒星，这些机制都进一步增加了星系结构研究的复杂性。运动学和数值模拟的系列突破动摇了以形态为基础的星系结构与分类体系，提示我们：形态分类需结合运动学分析，才能揭示星系的真实身份。 

结语：星系的记忆与人类的求知 

每一个星系都是一部宇宙史书，其盘、核球与晕记录着暗物质的牵引、气体的舞蹈和合并的轰鸣。通过超级计算机，我们得以窥见这些结构的诞生与成长，也愈发感受到宇宙的壮美与深邃。或许正如卡尔·萨根所言：“我们由星尘所铸，如今眺望群星。”在探索星系演化的道路上，人类正以科学为舟，驶向认知的远方。

作者简介

杜敏，厦门大学天文学系副教授，“南强青年人才计划”特任研究员，博士研究生导师。重点研究方向为多体+流体数值模拟与机器学习方法研究星系结构及其形成与演化。。