星系所处的寄主暗物质晕与星系的形态和演化之间的相关关系一直是天文学研究的热点之一。厦门大学天文学系杜敏副教授的研究团队于2022年在国际著名期刊天体物理快报（Astrophysical Journal Letters）上发表了一项关于星系角动量与质量关系的重要研究成果。研究表明，世界上最先进的大规模星系宇宙学模拟之一IllustrisTNG（TNG）成功复现了观测星系中恒星的比角动量 js 与质量 Ms 的相关关系（见图1）。TNG模拟中的盘星系遵循 log (js/kpc km s-1) =0.55log(Ms/M⊙)-2.77 的相关关系，这与观测结果非常吻合。

在宇宙学框架下，暗物质晕的角动量最初是通过大尺度环境的潮汐力矩扰动获得的。经典的潮汐力矩理论预测，暗物质晕的比角动量 jtot 遵循 jtot∝Mtot2/3，其中 Mtot 为暗物质晕质量。如果星系的角动量获得于吸积与暗物质晕耦合的气体，则星系应当具有类似的相关关系。然而，在之前的研究中，暗物质晕和星系之间角动量的联系并不清晰。很多研究认为，气体在冷却进入暗物质晕的内部区域的过程中，不能保持角动量守恒。因此，星系的性质和形成过程并不是由其寄主暗物质晕决定。

杜敏的研究表明，观测到的 js-Ms 关系能够被视为盘星系形成与寄主暗物质晕之间存在密切的相关关系的证据。但是，理论上从纯暗物质宇宙学模拟中得出的 jtot∝Mtot2/3关系无法准确地解释观测的 js-Ms 关系。研究指出，盘星系的 js-Ms 关系可以很好地用一个非常简单的修正模型进行解释，此修正模型概括为 jtot∝Mtot0.81，Mtot∝Ms0.67 且 js∝jtot 。此结果表明，在重子过程的影响下，星系的暗物质晕具有更大的角动量，修正了纯暗物质的模拟结果。另外，该模型表明盘状星系的恒星-暗物质暗晕质量比例呈现出近似幂律函数的单调增加。这与对盘星系最新动力学测量的结果一致，但挑战了丰度匹配理论的一般预期，即盘星系的恒星-暗物质暗晕质量比例在较大端朝着减小的方向变化。此外，盘星系的 js-Ms 关系形成于 z<1 时期形成，与观测结果一致。这项研究成果为我们对星系形成和演化的认识提供了重要线索，对于理解宇宙中星系的形成过程具有重要的指导意义。

图1. TNG模拟中，盘星系（蓝色和绿色点）中js-Ms 关系从100亿（最右）年前至今（最左图）的演化。与观测结果（灰色区域和空心方格）一致。