哈勃難道也是剽竊者？星系分類的變遷史 | 賽先生天文

哈勃音叉是哈勃首先發明的嗎？在星系分類上，人類會不會被機器阿爾法狗所替代？文後有小測試哦，通過留言發送你的答案，5位答對的幸運讀者可以獲得哈佛大學理論物理學教授麗莎·蘭道爾撰寫的《暗物質與恐龍》一書。

撰文 黃崧（加州大學聖克魯茲分校）

編輯 丁家琦

「您問我分類，條理，系統化有何用？我的回答是：在未知這個真正的敵人面前，秩序與簡化是精通一門學科的第一步。」

——托馬斯·曼 《魔山》（Thomas Mann: The Magic Mountain）

草長鶯飛，虎嘯猿啼，自然界里的萬物眾生無不可以按其特徵，依照屬名加種名的法則歸納成有序的系統。這套被稱為「雙名法」的系統來自著名博物學家卡爾·馮·林奈（Carl von Linné）。18世紀中期，他在名著《自然系統》（Systema Naturae）里用廣博的收集、敏銳的觀察，和詩人般的筆觸構建了生物分類的法則。時至今日，生物學家已能在基因層面上追溯物種的演進和關聯，但生物分類依然有著無可替代的重要性。面對自然，科學家彷彿在拼一張沒有邊界的拼圖，暢想完成後的美景固然令人心馳神往，卻也難免在繁複萬千的變化中迷失。而成熟的分類則可以協助科學家把研究對象分門別類，納入相互聯繫的模式中，梳理出背後的規律。

在雙名法下，你我這個物種被稱作智人（Homo sapiens）。我們這個群體雖然渺小，但靠著驚人的好奇心與魄力，竟把探索自然的眼界延伸到地球之外，甚至已經知道我們居住的太陽系身處一個叫做銀河的巨大星系裡面。銀河固然有千億顆恆星，但宇宙中卻有著為數更多的星系。宛如多姿的生物界，望遠鏡下的星系也展現出了攝人心魄的多樣性（圖1）。更令人咋舌的是，我們肉眼所見的星系竟只是更為巨大的物理系統的冰山一角：大量我們尚不甚了解的暗物質在引力作用下坍縮成龐大的暈狀結構，只有其中心聚集著一小團我們更熟悉的「普通物質」；而這其中又只有很少的一部分轉化為恆星，成為我們肉眼所見的星系。這些動人的天體見證了宇宙百億年的歷史，經歷了難以想像的複雜物理過程。理解它們，也是許多天體物理學家畢生的追求。面對著這看似沒有窮盡的難題，百年前，先驅們首先想到的恰是形態分類這個工具；而今天，星系形態背後的秘密依然在指引著天文學家們。下面，我就帶您簡略地回顧一下探索星系形態分類的歷史與進展。

圖1. 夏威夷冒那克亞山頂的日本國立光學天文台8.2米昴星團望遠鏡主焦點照相機拍攝的宇宙無名一隅。圖中絕大多數的天體都是或近或遠，或大或小的星系。這些形態顏色多樣的天體系統是構成宇宙的基石。（圖片來自Subaru望遠鏡Hyper Suprime-Cam主焦點照相機巡天）

發端與爭議

1950年，英國皇家天文學會月刊（MNRAS）第110卷里刊登了一篇簡短的訃告：約翰·亨利·雷諾 （John Henry Reynold） 於1949年11月2日去世。雷諾的名字可能已經不為人熟知，這位英國天文學家一生籌建了若干望遠鏡，並致力於對「非銀河系星雲」 （non-galactic nebula，天文學家在確認這些天體位於銀河系之外前對星系的稱呼）的觀測和整理。

雷諾遠不是第一個對這些天體感興趣的學者。耳熟能詳的NGC（新星系總表）天體中就有大量星系。最初記錄他們的赫歇爾父子（William Herschel和John Herschel）就已在嘗試系統地描繪它們。比如著名的仙女座星系M31就被賦予了「!eB,eL,R,vgbM,N」這串神秘的字元。在他們父子的體系里，這意味著「極亮，極大，圓形，中央亮度分布平緩，有核心」。這樣「生動」的描述固然有助於理解觀測，卻沒有脫離把每個星系當做孤立個案「收集」的稚嫩研究模式。20世紀初，天文學家依然在沿用著類似的方法，直到雷諾的出現。

圖2. 左圖是雷諾1913年繪製的M31亮度從中心到外圍的分布[1]。雷諾清楚地在圖中標出了中心 「球狀星雲」，即核球的邊界。右圖是天體攝影師Lorenzo Comolli拍攝的M31仙女座大星系，圖中粗略標出了核球和盤的位置。

在他眼裡，星系多姿的形態背後定有某種連續的模式。1913年，雷諾開創性地測量了M31亮度從中心到外圍的分布^[1]（圖2），並敏銳地意識到M31由兩個部分組成：中心亮度高度聚集的結構（今天稱為核球，Bulge）和外圍更加延展的結構（今天稱為盤, Disk）。在這個進展的啟發下，雷諾測量了更多的星系，驚喜地發現它們之間的差別很大程度上可以用核球和盤貢獻的不同來解釋。1920年的發表的文章里^[2]，雷諾進一步將旋渦星系按中心亮度聚集度和旋臂形態分成了7個連續的子類（I-VII），第一次提出了規範的星系形態分類體系。但不知為何，文章並未引起很大反響。

1926年，大西洋對岸，已經名揚天下的天文學家艾德溫·哈勃（Edwin Hubble）發表了一篇討論星系分類的工作^[3]。在這篇文章里，哈勃用更為簡化的三分類系統（Sa, Sb, Sc）描述旋渦星系。但細讀下你會發現，哈勃對這些分類細節的描述竟和雷諾的七個分類一一對應。整篇文章里，哈勃對雷諾的工作隻字未提。1927年，雷諾發表了兩篇非常克制的回應^{[4, 5]}，並沒有針鋒相對地指責哈勃剽竊，只批評了哈勃的分類系統沒有涵蓋應有的結構細節。後面的故事就是我們熟知的歷史了：哈勃1926年的文章成為了現代星系分類研究的基石。這個系統經過些許改進，最終通過1936年出版的《星雲世界》（The Realm of the Nebulae）一書定型成我們熟知的「哈勃序列」^[6]。書中引入的形如「音叉」（Tunning fork）的分類圖示（圖3）也成為經典。時至今日，天文學家依然在按照哈勃制定的法則稱呼不同的星系。

圖3. 左圖展示了哈勃1926年文章里對「星雲」類天體的分類^[3]。其中的星系分類的符號至今仍被廣泛使用；右圖比較了哈勃1936年《星雲世界》一書中的「音叉圖」星系分類^[6]與金斯爵士1929年《天文學與宇宙論》一書中使用的二叉星系分類圖示。是否相似？就看讀者你的判斷了。

在那個通信還不夠便捷的年代裡解決國際學術爭端並不容易。我們無從知曉在1920到1926年間，哈勃是否真對雷諾的工作一無所知。我們知道的是，美國加州帕薩迪那市威爾遜山天文台（註：今天的美國卡耐基學院天文台）收藏的1920年《皇家天文學會月刊》合訂版里，雷諾那篇星系分類文章的頁邊留白處有鉛筆留下的批註；雷諾I-VII型星系分類的旁邊，分明有Sa, Sb, Sc的字樣，筆跡頗像哈勃本人。至於名垂青史的「音叉圖」？金斯爵士（Sir. James Jeans）1928年出版的《天文學與宇宙論》（Astronomy and Cosmogony）一書中^[7]，在介紹星系分類時就使用了一張頗為神似的二叉分類圖（圖3）。同樣地，哈勃從未提及過金斯著作的影響……

音叉和紡錘

走出湮沒在歷史中的灰色地帶，平心而論，哈勃1926年的文章確實精彩。在這篇50多頁的長文中，哈勃在更廣泛的意義上討論了星系的分類。他把亮度分布高度集中，且無明顯子結構的星系劃分成為橢圓星系（用E表示），並用E1-E7的子類表示星系的橢圓程度。旋渦星系的分類則沿襲了雷諾的思路，按照中心核球顯著度，旋臂結構的緊緻度和規則度分成了三類 （Sa-Sb-Sc），但哈勃格外強調了在旋渦星系中心常見的棒狀結構（Bar），對這些棒旋星系給出了一個與旋渦星系對應的平行分類（SBa-SBb-SBc）。各種「奇形怪狀」的星系也被他收納進了一個不規則星系（Irr）的分類。

更有創見的是，哈勃還提出了透鏡狀星系（S0）的分類。他認為這類星系代表了沒有旋渦結構，但有顯著核球的盤星系。在當時的觀測下，這類星系是否存在尚有爭議，但正是這個大膽的分類讓「音叉圖」成為了可能（這幾種星系類別的示意圖見圖4）。雷諾批評哈勃的分類不夠細緻，然而這恰是哈勃的聰明之處：使用更加「粗獷」的分類才能讓天文學家專註於星繫結構的相似之處，而非糾結細節的差異。在這個形似「音叉」的系統裡面，完全呈橢球狀的橢圓星系在最左端，依橢圓程度構成一個小序列；從橢圓星系向右看，中心稠密恆星結構的重要性遞減，恆星盤的貢獻與盤上旋渦結構的顯著性不斷提高；普通旋渦星系和棒旋星系組成了「音叉」的兩臂；而這兩支旋渦星系又在透鏡狀星系處和橢圓星系的子序列交匯，一起勾勒出著名的「哈勃序列」。

圖4. 不同的哈勃類型的星系的示例。（圖片來自卡耐基-歐文近鄰星系巡天（Carnegie-Irvine Galaxy Survey）

如開頭指出的，優秀的分類系統有引導人思考背後物理聯繫的能力。20世紀初期，天文學家剛意識到星系是距離極其遙遠，與銀河相似的龐大恆星系統；對它們的了解也僅限於位置、亮度和相對速度。此時去談星系的形成和演化似乎是妄想，但自「音叉圖」出現，對不同類型的星系的起源和聯繫的討論就未停歇過。1951年，萊曼·斯皮策（Lyman Spitzer）和瓦爾特·巴德（Walter Baade）提出假說，認為沒有旋臂的透鏡狀星系可能來自通過星系相互作用失去了氣體的旋渦星系^[8]，這一理論與我們今天的認識已頗為相近。之後的30年里，光譜觀測技術日新月異，天文學家們終於得以具體地測量不同星系內恆星的組成和運動規律。

正是在這些觀測的幫助下，「哈勃序列」展現出了更加誘人的一面。序列左側的橢圓星系和透鏡狀星系質量往往更大，主要由垂老的恆星組成；這些雜亂運動著的恆星構成了主導星系的橢球狀結構；星系內部嚴重缺乏新鮮血液。序列右端則是一番不同的景象。旋渦星系中的恆星主要分布於規則旋轉的盤上；星系的主要成員顯然更加年輕，生機勃勃的旋臂上常點綴著剛剛誕生的星團。兩類星系所處的「生態系統」也有所不同：橢圓星系更喜歡居住在成員眾多的星系團內部，而旋渦星系則喜好「人口」不那麼稠密的地帶。從小小的「音叉」上面，不知共鳴出了多少事關星系演化的真知灼見。

與此同時，執著的天文學家們還不斷地給哈勃搭建的構架添磚加瓦，豐富細節。法國天文學家傑拉德·德沃庫勒（Gerald de Vaucouleurs）在60年代初提出的星系形態分類把音叉演化為了一個三維的紡錘^{[10, 11]}，每個截面上都分布著細節各異的星系。但此時的星系形態研究也遇到了尷尬的瓶頸：所有的細節都已被描述，但物理解釋還是遙遙無期，我們下面該做什麼呢？這就是星系形態研究的盡頭了嗎？

圖5. 在積分場光譜儀觀測的幫助下，Atlas3D巡天項目提出的新的星系分類系統。在這個二維繫統裡面，星系被按照運動學特性和旋臂的顯著程度分類。這個脫胎於哈勃序列的分類系統更能體現星系內部的物理規律，並將哈勃的「音叉」圖變形為了一把「梳子」。圖片來自[12]；經過了注釋和修改

梳子和萬花筒

2013年6月24日，巴黎十四區阿拉戈大街上一幢規整的建築物內，百餘位天體物理學者聚會一堂，以學術會議的形式慶祝巴黎天體物理研究所（Institut d"astrophysique de Paris）成立75周年。會議的主題正是「哈勃序列的起源」。會議的第一個報告來自於牛津大學的羅傑·戴維斯 （Roger Davies）。這位著作等身的學者曾是一個被稱為「七武士」（Seven Samurai）的小團體的一員^[a]。「武士們」利用世界各地的望遠鏡觀測了400個橢圓星系，打開了星系巡天研究的大門。

戴維斯在報告里展示了用新的積分場光譜儀（Integral Field Spectrogarph）技術在260個近鄰早型星系（早型星系是橢圓星系和透鏡狀星系的統稱）里發現的驚人結論。這類儀器協助他們精細地描繪了這些星系不同位置上的恆星運動和形成歷史，揭開了它們的真面目^[12]：許多橢圓星系也被規則地繞轉的恆星主導；而分類上一直模稜兩可的透鏡狀星系則被發現擁有豐富和多樣的結構和運動信息。儘管沒有奪目的旋渦圖樣，他們依然可以和旋渦星系一樣，按照由規則旋轉的恆星盤的貢獻分成早型和晚型，構成一個和旋渦星系平行的分類序列。在這一進展的推動下，戴維斯和合作者們在近70年後對哈勃序列進行了重大的改寫。「音叉」搖身一變，成了一把「梳子」 （圖5）。

在這個新的系統下，星系不再簡單地依形態歸類，而是按其內部恆星運動狀態構成連續的序列。和「音叉」比，「梳子」更契合近20年宇宙學和星系物理的進展。這期間，宇宙加速膨脹和冷暗物質模型脫穎而出，代表了人類對宇宙的最新理解。星系形成的整體圖像也更為清晰：暗物質暈在引力的作用下相互吞食、成長；內部的重子氣體向著中心墜落，再按照角動量守恆的「金科玉律」形成旋轉主導的盤結構。這些結構可以不斷地積累氣體和新恆星，演化出不同類型的旋渦星系；也可以在內部反饋或外界環境的影響下逐漸變為不再形成恆星的透鏡狀星系；更可以在同類相殘的併合中演化成為緩慢旋轉的早型星系。而這些物理過程都可以在「梳子」里得到體現。

「梳子」能否取代「音叉」成為新的星系分類標準仍需時間檢驗，但它們都只代表了對當前宇宙中質量較大星系的靜態理解，不能完善地體現星系的真實複雜度。近年來，在兩個系統里都沒有受到重視的小質量矮星系中，天文學家看到了堪比整個哈勃序列的形態多樣性（圖6）。更重要的是，得益於有限光速和難以想像的龐大尺度，天文學家可以坐上時光機，在宇宙深處一探星系幼年的面貌。飛速進展的高紅移星系觀測展現出一個似曾相識，卻又恍如隔世的星繫世界：早在110億年前，哈勃序列的雛形已然具備（圖7），但同時還有大量的星系正在激烈的演化進程中，其光怪陸離的形態顯然超出了當前分類系統的能力。

如果說「哈勃序列」代表了在不假設物理聯繫的前提下梳理複雜的星繫結構的分類方法，在研究深入星系「基因」層面的今天，新的分類系統則愈加需要體現出星系形成演化的內在聯繫。今天我們彷彿是透過一支萬花筒在看星系，每改變一個參數，變換一個視角，都可能會看到不同的面貌。如何從星系形態結構中提取出更接近物理本質的秩序，依然是一個頗讓人期待的挑戰。

圖6. 姿態萬千的矮星系「動物園」。這裡用幾個例子展示了矮星系類群的幾個重要子類：dE代表矮橢圓星系，這些星系形態規則，中心亮度集中，質量偏大；dIrr代表矮不規則星系，這些星系被氣體和恆星形成主導，形態不對稱；dSph代表矮橢球星系，這類星系是宇宙中最黯淡的星系，完全被暗物質主導，恆星質量只比球狀星團略大；UCD代表極緻密矮星系，這類常在星系團中發現的星系恆星分布極其緻密，被老年恆星主導；BCD代表了藍緻密矮星系，這些星系是星系形成矮星系的極端代表，整個星系往往只有若干大質量恆星形成區主導；UDG代表極彌散矮星系，是近兩年才被注意到的低面亮度星系類型。雖然這些星系的質量不大，但尺度和銀河系相近。（M 101圖片來自Panther天文台；NGC1427A，M60 UCD-1和IzW 18的圖片來自哈勃空間望遠鏡；Fornax矮橢球星系的圖片來自歐洲南方天文台；Dragonfly 44的圖片來自凱克天文台）

圖7. 光怪陸離的高紅移星繫世界。左圖：哈勃空間望遠鏡的觀測告訴我們，早在110億年前，大質量的星系就已經演化出了哈勃序列的雛形，各個哈勃序列主要分類都能找到對應；右圖：與此同時，還有大量的星系處於迅速演化的過程中，這些星系形態各異，往往無法按照哈勃序列進行分類。（圖片均來自哈勃空間望遠鏡的觀測；左圖來自空間望遠鏡圖片檔案庫；右圖來自馬克斯·普朗克天體物理研究所）

尾聲

2006年，正在牛津大學攻讀博士學位的凱文·沙溫斯基（Kevin Schawinski）正為畢業論文頭疼不已。他畢業論文的題目是星系恆星形成活動與星繫結構的關係，而項目的第一步就是對斯隆數字巡天項目觀測的9萬多個星系進行形態分類。和百年前的前輩們一樣，沙溫斯基開始全憑自己一雙肉眼，但很快就意識到這終究不是辦法。隨著巡天的進行，觀測星系的數量飛速增加，豈不是要把自己累死？懶，有時真是進步的動力。沙溫斯基和他的同事克里斯·林托德（Chris Lintott）一起建立了一個叫做「星系動物園」（Galaxy Zoo）的網站。在這裡，任何公眾都可以在經過簡單的訓練後對真實的星系圖像進行簡單的形態分類。網站取得了意想不到的巨大成功，不僅幫助沙溫斯基和其他天文學家分類了上百萬的星系，發現了之前誰都不曾留意的星系類型，還吸引了無數公眾開始了解星系這類迷人的天體。

但站在嚴謹的科學視角上，無論大眾還是科學家，肉眼終究不夠客觀。在這個不談機器學習就顯得落伍，電腦已是第一圍棋高手的時代，天文學家自然不會掉隊。2015年，來自巴黎天文台的馬克·赫塔斯-康帕尼（Marc Huertas-Company）率先將深度學習（Deep Learning）應用於星系形態自動分類，取得了和肉眼準確率相近的喜人結果^[13]。目前，他正在谷歌公司的資助下開發更好的演算法，為研究未來巡天帶給我們的數以億計星系的結構做準備。另一條戰線上，致力於在計算機中扮演上帝的數值模擬專家們也不斷有著新的進展。最新的宇宙學流體動力學模擬已經可以在幾乎不需人為干涉的條件下重現出各類形態以假亂真的星系。在日新月異的觀測和理論進展下，星系形態結構的分類和研究仍充滿著活力。

誠如我們開篇所講，構成太陽、地球和我們的重子物質只是星系整體的冰山一角。但恰是在這看似無足輕重的點滴質量里呈現出了無比複雜卻又完美和諧的星繫結構，如海夜盡頭遙遠燈塔的光亮，不斷引導著天文學家們去挑戰宇宙的神秘。

讀過本文後，你能分辨出下面的幾個星系在哈勃音叉分類系統里屬於什麼類型？

通過留言發送你的答案，5位答對的幸運讀者可以獲得哈佛大學理論物理學教授麗莎·蘭道爾撰寫，苟利軍、李楠、爾欣中翻譯，湛廬文化出品的《暗物質與恐龍》一書。

作者簡介：

黃崧，美國加州大學聖克魯茲分校天文與天體物理系博士後。2014年獲南京大學天文學與空間科學學院博士學位。2014-2016年在東京大學科維里數物聯攜宇宙研究所從事博士後研究。研究領域為大質量星系的形成和演化，以及近鄰星系的結構與星族研究。

注釋：

[a] 「七武士」成員包括David Burstein, Roger Davies, Alan Dressler, Sandra Faber, Donald Lynden-Bell, Roberto Terlevich, Gary Wegner.

參考文獻：

[1] Reynolds, J. H. (1913), MNRAS, 74, 132, The light curve of the Andromeda nebula (NGC 224).

[2] Reynolds, J. H. (1920), MNRAS, 81, 129, Nebul?, The galactic distribution of the large spiral.

[3] Hubble, E. P. (1926), ApJ, 64, Extragalactic nebulae.

[4] Reynolds, J. H. (1927), The Observatory, 50, 185, The classification of the spiral nebulae.

[5] Reynolds, J. H. (1927), The Observatory, 50, 308, The classification of spiral nebulae.

[6] Hubble, E.P. (1936), Realm of the Nebulae, New Haven: Yale University Press.

[7] Jeans, J. H. (1928), Astronomy and Cosmogony, Cambridge [Eng.] The University press.

[8] Spitzer, L., Jr., & Baade, W. (1951), ApJ, 113, 413, Stellar Populations and Collisions of Galaxies.

[9] Buta, R. J. (2013), Secular Evolution of Galaxies, 155.

[10] de Vaucouleur, G. (1959), Handbuch der Physik, 53, 275 Classification and Morphology of External Galaxies.

[11] de Vaucouleurs G. H., de Vaucouleurs, A., & Shapley, H. (1964), Reference catalogue of bright galaxies, University of Texas Monographs in Astronomy, Austin: University of Texas Press.

[12] Cappellari, M., et al. (2011), MNRAS, 416, 1680 The ATLAS3D project - VII. A new look at the morphology of nearby galaxies: the kinematic morphology-density relation.

[13] Huertas-Company, M., Gravet, R., Cabrera-Vives, G., et al. (2015), ApJS, 221, 8, A Catalog of Visual-like Morphologies in the 5 CANDELS Fields Using Deep Learning.

[14] 關於哈勃分類的早期歷史，本文大量參考了: Sandage, A. (2005), ARA&A, 43, 581, The Classification of Galaxies: Early History and Ongoing Developments.

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