研究速度
杜敏研究团队一项发表于《天文与天体物理学报》（Astronomy & Astrophysics）的最新研究，利用IllustrisTNG宇宙学模拟与MaNGA、ATLAS^3D观测数据，对早型星系(ETGs)的动力学分类进行了系统比较，并提出了一套统一的自转分类新标准。与此同时，另一项同样由杜敏研究团队完成的工作揭示了恒星晕包裹的盘星系在星系形成与演化中的关键地位——这两项研究共同推进了我们对星系内部动力学的理解。
图1: λ_R (R_e)-ε(3R_e)(椭率)图，颜色编码分别表示 κ_rot、f_spheroid、f_halo和f_bulge。上排为TNG50结果，下排为TNG100结果。品红色曲线为Cappellari et al. (2007)等人推导的侧向轴对称星系λ_R-ε关系。粗黑曲线代表本文提出的区分SRs与FRs的新阈值（λ_R,intr=0.4，(本征椭率) ε_intr=0.525，各向异性δ=0.367）。细实黑线表示Emsellem et al.(2011)等人提出的标准经验阈值λ_R (R_e)=0.31√ε。顶部标注了新旧阈值下的SRs/FRs占比。
星系的“快慢二分法”
ETGs——即椭圆星系和透镜状星系——长期被视为宁静、恒星形成早已停止的“红死”星系群体。然而，积分场光谱(IFS)观测揭示了一个引人注目的内部运动二分现象：一部分星系以规则的自转为主(“快自转体”，FRs)，另一部分则以随机运动为主(“慢自转体”，SRs)。FRs在旋转、形态乃至形成机制上都更接近盘星系，而FRs则是动力学“冷寂”的典型。
该研究团队，从TNG50和TNG100模拟分别筛选出236和2342个ETGs，从MaNGA和ATLAS^3D观测分别选取933和193个ETGs，利用描述星系转动性的参数: 自旋参数 λ_R(R_e), 本征自旋参数 λ_R,intr(R_e)、圆柱旋转能量分数 κ_rot 以及结构质量比(如球状体质量分数f_spheroid和恒星晕质量分数 f_halo,与运动学核球质量分数f_bulge)，分析了观测与模拟之间星系转动性的差异。
λ_R-ε图的全面揭示
图1是整个研究的核心图表之一。它直观揭示了决定性的发现：传统标准——λ_R (R_e)=0.31√ε 关系——并不真正对应星系的动力学二分性。研究发现，早型星系在λ_R-ε平面上并非清晰地分为“快”与“慢”两个集群，而是存在大量具有中等自转特性、高球状体质量或高恒星晕质量的“中间态”星系。这些星系正是导致TNG模拟中出现“二分性赤字”的根源所在。
图2：不同动力学参数之间的相关关系图，展示 λ_R,intr、κ_rot、f_spheroid之间的定标关系。这些关系来自TNG模拟，可用于从观测中估算 κ_rot 和 f_spheroid。
动力学参数之间的定标关系
图2展示了研究团队从TNG模拟中建立的关键定标关系。基于这些关系，研究人员可以反过来估算观测星系的〖 κ〗_rot（旋转能比）和f_(spheroid )（球状体质量比例），从而在模拟与观测之间架起了一座重要的桥梁——让原本只有在模拟中才能精确定义的运动学参数变得对观测数据也“可测量”。
新阈值的建立
在此基础上，研究团队根据模拟与观测数据的动力学数据的双峰分布特征提出了统一的自转分类阈值(如图3所示)：
这三个参数从不同角度刻画了星系的动力学状态——测量的是星系的投影自转信号，刻画的是柱面规则自转的能量比重，反映的是由随机运动主导的球状成分的质量占比——三者互为补充，将星系统一划分为“自转主导”和“随机运动主导”两大类，分别对应于人们熟知的盘星系和椭圆星系。
图3： λ_R,intr、λ_R，κ_rot、f_spheroid在不同质量段的分布。
“二分性赤字”：模拟与现实的差距
图3揭示了一个关键的系统性偏差——“二分性赤字”。与观测相比，TNG模拟中的早型星系整体缺乏快自转体，且自转参数λ_R,intr偏低。 这一“赤字”的根源是什么？研究发现，TNG模拟生成了大量具有中等自转特性的“中间态”星系——这些星系往往拥有过高比例的球状体或恒星晕质量。换言之，模拟中星系“过于球状”了，而庞大的恒星晕像一层厚重的“外套”，掩盖了内盘自转的信号。 这个发现表明，即便是当前最先进的宇宙学模拟，在反馈模型（特别是AGN反馈）的精细调节上仍有改进空间。
从IFS运动学估算恒星晕质量——开创性的新方法
图4开启了研究中的一个重要新方向。恒星晕(stellar halo)——由星系并合事件中剥离和散射的恒星组成的弥散外晕——是星系并合历史的直接“化石”记录。然而，在观测中直接测量星晕质量极其困难。研究团队开创性地提出了一种从积分视场光谱(IFS)运动学数据估算恒星晕质量分数的新方法： 利用TNG模拟建立的自转参数〖 λ〗_(R,intr)与恒星晕质量分数之间的定标关系，可以估算星系的f_(halo )。尽管目前还存在较大的不确定性，但这一方法为连接模拟与观测提供了全新的技术路径。
图4：恒星晕质量分数f_halo的估算方法。动力学参数 λ_R,intr 在不同半径范围内与f_halo之间的相关关系。尽管存在显著的不确定性，这一方法为将 恒星晕质量分数这一关键的结构参数与可观测的运动学量 λ_R,intr 联系起来提供了全新的途径。
恒星晕包裹的盘星系——一类被忽视的重要星系群体
在上述工作的基础之上，同一团队发表于A&A 2025年7月的另一项研究（Beyond Morphology: Challenges in Decomposing Massive Stellar Halos in Sombrero-like, Halo-Embedded Disk Galaxies）将目光聚焦在一类特殊但极易被忽视的星系群体上——“Sombrero-like”星系(草帽星系型)。
如图5所示，这些星系的核心结构特征是：一个明亮的盘星系被嵌入一个质量巨大的弥散恒星晕之中——即所谓的“晕包裹盘星系”(halo-embedded disk galaxies)。从正面看，它们的外观与普通盘星系几乎无异，星系盘、旋臂甚至棒状结构都清晰可见；然而从侧向看，一个巨大的、弥散的恒星晕包裹着整个星系。它们与经典的Sombrero星系(M104)相似，在动力学上与早型星系有着相同的“厚重”特征。
该研究从TNG50模拟中筛选了270个此类星系（M_*>10^10 M_⨀，0.3<f_halo<0.6），利用GALAXEV生成模拟图像，并使用GALFIT进行光度分解，与auto-GMM运动学分解结果进行系统比较。研究发现：
更为关键的是，研究表明这类“晕包裹的盘星系”在TNG50中可能占到星系总数的30%~60%。这意味着，当我们通过传统的光学形态分类法对星系进行分类时，可能有相当一部分星系被错误地归类为普通盘星系，而实际上它们包含了与ETGs同样丰富的并合历史信息。
图5(论文二)：利用GALAXEV星族合成代码生成的TNG50模拟中Sombrero-like星系的假彩图像。展示了四个星系示例(ID = 572840, 455292, 522530, 513105)，其运动学定义的恒星晕占总恒星质量(约10^10.6 M_⨀)的30%–60%。与实测的Sombrero星系不同，模拟中的Sombrero-like星系可在相同的倾角下观测。从上到下各行分别对应0°(正面)、45°和90°(侧向)的星系倾角，每幅图像的视场设定为星系中心半质量半径的7.5倍。
意义与展望
这两项研究形成了一条完整的研究链条：前一项研究从ETGs的动力学分类出发，揭示了恒星晕质量在分类中的关键角色——恒星晕质量偏高的星系更容易被误判为慢自转体；后一项研究则进一步指出，即使在看似为盘星系的天体中，巨大的恒星晕也可能主导其动力学特征。星系中“盘”与“晕”的二分法，远比我们想象的要模糊。
杜敏副教授指出：“我们的工作表明，传统的动力学分类标准需要重新审视。同时，TNG模拟中的‘二分性赤字’——即模拟中快自转体偏少、中间态星系偏多的系统性偏差——为改进宇宙学模拟中的反馈模型提供了明确的方向。而Sombrero-like星系的研究进一步提醒我们，恒星晕在星系结构研究中不应该被忽视——它们可能远比我们想象的更普遍、更重要。”
这两项研究共同描绘了一幅更为复杂但也更加真实的星系图景：星系不是简单的‘盘’与‘椭球’、‘快自转’与‘慢自转’的二分，而是一个从纯盘到纯球形的连续谱，恒星晕在其中扮演着关键的、却常常被低估的角色。
研究论文
这两篇工作的论文第一作者分别为厦门大学天文学系博士研究生钟文宇和硕士研究生何武涛，通讯作者均为厦门大学天文学系杜敏副教授。其他合作者包括：英国杜伦大学陆胜东博士后、西湖大学朱凯博士后、西湖大学金云鹏副研究员、上海交通大学李兆聿教授和厦门大学研究生黎原。
预印本链接：
https://arxiv.org/abs/2505.04133
https://arxiv.org/abs/2602.01098
