作者：黃姤
海洋就好比一望無垠的宇宙，海洋中矗立著許多島嶼；宇宙也像海洋一樣，遍佈了不計其數的宇宙島。這些絢麗多姿的星系是構成宇宙這個龐大結構的基石，它們的存在是宇宙歷史事件最有力證據，它們見證了宇宙百億年的發展。
在漫長的宇宙演化軌跡中，有的星系吸星引雲；有的多次與其他星系摩肩直到歸聚合成一體；有的星系孑然一身在屬於自己的地方感受歲月更迭。
星系不同的演化歷程讓星系培養出各異的物理性質，怎樣在百億年的“星系化石”中提取到有用的資訊，讓我們理解歷史長河中星系所經歷的纏繞盤桓的物理過程，是所有天體物理學家畢生的夢想。
星系的影象巡天與光譜巡天
對星系進行光學波段的觀測，分為光譜和成像兩部分。影象巡天除了可以描繪出絢麗多姿而形態各異的星系，同時也可以確定星系在宇宙的二維投影位置。
光譜巡天
可以讓我們看見星系物理性質的印記，而這個印記是揭開星系起源奧秘的主要論據。只有對星系進行光譜分析除了可以估算出星系的年齡，同時也可以分析出星系的化學組成成分。
在過去的幾十年間，有很多光譜巡天專案都有了重大的發現，例如：斯隆數字紅移巡天專案和我國郭守敬天文望遠鏡獨立完成的大規模光譜巡天專案突破了天文觀測受限的瓶頸，獲得了大量的天體光譜資料。斯隆數字紅移巡天和郭守敬天文望遠鏡對準的區域是星系的中心，輻射光線透過單根光纖傳輸到光譜儀上，色散後就可以得到天體的光譜資料，這些叫做
光纖光譜資料
。
圖源：freepic
實際上，光譜所攜帶的這些反映出的是星系中心區域的性質。星系中心區域的那些古老恆星組成的核球和核球周圍新生恆星組成的恆星盤共同構建成一個最基本的星系，也就是星系的最基本結構是：古老恆星組成的核球和新生恆星組成的恆星盤。
核球和恆星盤這兩個不同性質的結構有著完全不一樣的性質的演化歷程。正所謂“井底之蛙，坐井觀天”，假如只研究星系的中心區域，那麼對於星系的研究結果會與真實的情況存在差異。
圖解：核球和恆星盤
由於天文學的需求促進了積分視場觀測技術的飛快發展，不僅提高了星際空間的分辨能力，還讓星系二維光譜的觀測效率得到了更準確的資料，因此近年來天文學家在研究近鄰星系中有了史無前例的重大突破。
二維積分視場星系中心的區域空間分辨能力能夠體現出將單光纖捆紮在一起，單根光纖色散出相應位置的光譜資料，利用這種方法就可以做到對星系進行全方位無死角的觀測。
透過對二維積分視場的觀測資料分析，星系的性質分別有恆星速度場、Hα發射線輻射強度、氣體速度場。它們的光譜資料證明了一個事實，對於觀測者來說：
綠色代表的是靜止不動的；
藍色是正在靠近觀測者的；
紅色是正在遠離觀測者的；
星系的形態分類
1936年之前天文學家就已經發現了眾多形態各異的星系，埃德溫·哈勃為了區分出星系的型別，於是他用“音叉圖”來對星系進行分類：
橢圓星系和透鏡星系屬於
造型
的星系，因此位於音叉柄上；
漩渦星系和棒旋星系屬於晚型的星系，因此位於分叉兩處；
這個經典的星系分類系統，能夠讓天文學家透過研究星系的型別來總結背後的物理本質；透過對星系性質的進一步研究發現，越往音叉右邊星系的恆星就越年輕化，越往音叉右邊星系的恆星藍移現象就越明顯，說明越靠近星系外圍的恆星會漸漸遠離星系中心，因此星系的外形就越大。
圖解：星系分類示意圖
自從哈勃採用了這個星系分類法之後，天文學家就一直採用這個方法對星系分類，並且沿用至今。
隨著三維成像積分視場巡天的觀測專案開展，天文學家發現對早型星系運動學有了本質變化的新認知。二維積分視場中的光譜影象中，早型星系呈現的影象是光滑平整的，天文學家認為恆星是在更平滑的範圍內不規則運動的，恆星會相互抵消彼此的角動量，所以星系的自轉不會有很大的速度。
天文學家根據星系的三維積分視場影象與自轉資料，發現絕大部分的早型星系和個別橢圓星系都是自轉速度相當快的橢圓球體，自轉的速度與漩渦星系差不多。
根據自轉速度的快慢，研究人員將造型星系分為兩類，分別是“快速自轉型”和“慢速自轉型”。研究人員進一步指出根據光譜來分類星系的型別不一定是完全準確的，光譜對於被歸類為橢圓的星系來說，錯誤分類的比例可高達66%，這樣一來也就說明了哈勃音叉星系分類法的準確率不一定是100%。
天文學家於是用一種新的星系分類法代替了哈勃音叉圖分類法，這種方法與哈勃音叉圖分類法有點相似，簡稱·梳子形分類法。
位於梳柄最左邊的是造型星系，自轉的速度從左往右由低變高，而旋渦星系位列在三根梳齒上，並非只有音叉圖的兩叉。自轉速度快的星系位於梳齒與梳柄的連線處，從這個梳子形示意圖可以看出這些星系都是由旋渦星系演化而來的。
圖解：梳子形示意圖（右）
星系中的恆星盤和氣體盤不同的旋轉方向
上面圖片展示的是3個旋轉方向不同的星系速度場；分別是：
旋轉方向相反的氣體盤與恆星盤、
旋轉方向相反的恆星盤與恆星盤、
旋轉方向相反氣體盤與氣體盤、
最左邊顯示的是斯隆數字巡天專案之一的多色影象，位於紫色六邊形內的是二維積分市場
覆蓋的區域、觀測的物件是恆星盤速度場、氣體盤速度場。
最右邊是不同盤成分的模型圖，氣體盤用藍色展示，恆星盤用紅色展示。
第二列圖片是恆星盤速度場、第三列圖片是氣體盤速度場圖片：靜止不動地用綠色展示，具有藍移運動狀態的用藍色展示，具有紅移運動狀態的用紅色展示。
有那麼一部分的天文學家贊同恆星盤起源於氣體雲坍縮，冷卻後的星系中存在很多密度大且寒冷的氣體，在重力的物理作用下最終塌縮成恆星盤，所以恆星盤不僅繼承了氣體雲的角動量，同時也具有和氣體雲一樣的的旋轉方向。
早在20世紀末的時候已經有天文學家對星系的旋轉方向進行了光譜觀測研究，發現了星系中的恆星盤和氣體盤奇特的運動學性質，例如氣體盤與恆星盤，恆星盤與恆星盤，氣體盤與氣體盤旋轉的方向不一樣。這些天文學家對星系中的恆星盤和氣體盤如此奇特的運動學性質持續研究了十多年，但是研究的結果並未能得到天文學界的高度重視，於是那些天文學家就沒有一直研究下去。
隨著積分視場巡天專案的顯示結果，天文學界才意識到星系運動學對研究星系有著非凡的意義。星系運動學中旋轉方向不一樣的現象出現的機率是由星系的型別決定的，晚型星系出現的機率為2～5%，而早型星系中透鏡星系和橢圓星系出現的機率高達30～40%。
星系是一個獨立的天體系統，恆星盤是由氣體吸積而成，從角動量守恆這點來看，恆星盤在形成的過程中組成恆星的成分和氣體旋轉方向是一樣的。
雖然超新星爆發的能量或者黑洞的引力對星系氣體旋轉方向有著一定的影響，但是不可能把恆星盤或者氣體盤原來的旋轉方向完全反轉過來。
星系的演化與生命的演化有一定的相似性，都是外因和內因共同作用下的產物；既然星系自身不可能造成旋轉方向反過來，那麼造成這個現象的原因也就只有是外部環境因素帶來的影響，比如星系的合併或者從宇宙網、暗物質雲以及其他相鄰星系吸積過來的氣體。
外部因素會完全改變星系的命運
星系從相鄰星系吸積角動量方向不同的氣體，吸積過來的氣體達到一定的條件後會產生新的恆星盤，而新生的恆星盤的旋轉方向是與吸積過來的氣體旋轉方向是一樣的，因此就會產生一個新的問題：
吸積過來的氣體會影響星系的後續演化嗎？
結合外部和內部的種種因素，用科學的角度來分析這個問題，以假設和模型作為依據，吸積過來的氣體是會對星系造成影響的，這個外部的因素會完全改變星系的命運。
舉例說明一：
假如有一個氣體含量較少的早型星系從相鄰星系吸積了角動量方向不同的氣體，只要恆星盤和氣體盤相互不平行或者是相互垂直的，那麼恆星盤的引力作用會讓氣體盤向著恆星盤靠攏，直到氣體盤與恆星盤合併在一起。
在這個轉變的過程中，在氣體盤和恆星盤之間的引力相互作用這種情況下，吸積到的氣體只是早型星系演化中的特殊片段，雖然在演化的過程中捕獲了一個反轉的氣體盤，但是完全不會影響到星系原來的興致。
舉例說明二：
假如有一個氣體含量較多的漩渦星系從相鄰星系吸積了角動量方向不同的冷氣體，如果捕獲到的氣體的角動量是大於星系中原有氣體角動量的話，那麼氣體與氣體之間會產生很劇烈地碰撞。這樣一來星系中原有的氣體會與捕獲到的氣體發生相互作用，這樣就會造成角動量有很大的變化。
比如星系中原有的氣體會與捕獲到的氣體的角動量相互抵消，由於星系的中心具有一定的引力，冷氣體會以自由落體的方式向著星系中心區域靠攏，星系中心有大量的冷氣體聚集，所以就引發了中心星暴，誕生新的恆星。
但是此時星系周邊區域的冷氣體是比較少的，這種情況就會抑制了星系周邊區域形成新的恆星。
由於星系原有氣體的角動量小於捕獲到的氣體，因此星系原有的旋轉方向最終被轉變為一個氣體與恆星盤反轉的星系。
下面圖片展示的星系就是這種情況，中心藍核就是星暴的光譜資料，星暴過後在星系中心區域誕生了一個核球，這個時候恆星盤周邊的氣體旋臂地就會消失，原本屬於漩渦型的星系會演化為透鏡星系，也就是說這個星系的命運被徹底改變了。
其次，星暴這一過程在三維積分視場梳子形分類法中，是位於三根梳齒上的漩渦星系往梳齒與梳柄連線處的透鏡星系方向演化的，這就提供了有據可證的事實。同時這也是透鏡星系出現旋轉方向反轉的機率高於其它型別星系的原因。
舉例說明三：
假如有一個氣體含量較多的漩渦星系從相鄰星系吸積了角動量方向不同的冷氣體，如果捕獲到的氣體的角動量是小於星系中原有氣體角動量的話，那麼被捕獲的氣體的角動量會被原有氣體的角動量取替，所以氣體盤與恆星盤的旋轉方向就會一樣。
除了以上三種可能，星系的合併也有可能會造成星系運動學出現相互反轉的現象，文學家學家透過研究發現，星系合併的過程會在星系影象中有明顯的潮汐尾和殼層結構等一些闇弱的遺蹟特徵。
天文學家整合深場巡天影象中星系合併後的遺蹟特徵，得出以下結論：星系合併後造成氣體盤與恆星盤旋轉方向不一樣的現象，早型星系的比例達到20%，所以在其他星系獲取氣體比星系合併後造成的氣體盤與恆星盤旋轉方向不一樣的機率要高。
黃姤結語：
眾所周知，地球是依賴太陽提供的能量才能繁衍生息，然而銀河系之中就包括4000多億顆恆，宇宙實在是太過宏大了，目前對它的瞭解只是冰山一角，比如星系中包含的物質、物理性質以及物理機制，星系中的天體結合在一起會產生什麼樣的影響，我們依然對這些知之甚少。
現代的天文學家和物理學家正在透過宇宙學原理來解答宇宙的規律。從二維積分視場巡天到三維積分巡天當中得到的觀測資料表明，星系中的運動學是可以被揭秘的。
瞭解星系所經歷的紛繁複雜的物理過程，是天文學家瞭解宇宙執行機制的重要基石，雖然有些星系距離我們很遙遠，但是透過對它們的觀測和整合過往的資料，會讓我們更加了解隱藏在“星系化石”當中的奧秘。
