哈勃音叉是哈勃首先发明的吗？在星系分类上，人类会不会被机器阿尔法狗所替代？文后有小测试哦，通过留言发送你的答案，5位答对的幸运读者可以获得哈佛大学理论物理学教授丽莎·兰道尔撰写的《暗物质与恐龙》一书。
撰文 黄崧（加州大学圣克鲁兹分校）
编辑 丁家琦
“您问我分类，条理，系统化有何用？我的回答是：在未知这个真正的敌人面前，秩序与简化是精通一门学科的第一步。”
——托马斯·曼 《魔山》（Thomas Mann: The Magic Mountain）
草长莺飞，虎啸猿啼，自然界里的万物众生无不可以按其特征，依照属名加种名的法则归纳成有序的系统。这套被称为“双名法”的系统来自著名博物学家卡尔·冯·林奈（Carl von Linné）。18世纪中期，他在名著《自然系统》（Systema Naturae）里用广博的收集、敏锐的观察，和诗人般的笔触构建了生物分类的法则。时至今日，生物学家已能在基因层面上追溯物种的演进和关联，但生物分类依然有着无可替代的重要性。面对自然，科学家仿佛在拼一张没有边界的拼图，畅想完成后的美景固然令人心驰神往，却也难免在繁复万千的变化中迷失。而成熟的分类则可以协助科学家把研究对象分门别类，纳入相互联系的模式中，梳理出背后的规律。
在双名法下，你我这个物种被称作智人（Homo sapiens）。我们这个群体虽然渺小，但靠着惊人的好奇心与魄力，竟把探索自然的眼界延伸到地球之外，甚至已经知道我们居住的太阳系身处一个叫做银河的巨大星系里面。银河固然有千亿颗恒星，但宇宙中却有着为数更多的星系。宛如多姿的生物界，望远镜下的星系也展现出了摄人心魄的多样性（图1）。更令人咋舌的是，我们肉眼所见的星系竟只是更为巨大的物理系统的冰山一角：大量我们尚不甚了解的暗物质在引力作用下坍缩成庞大的晕状结构，只有其中心聚集着一小团我们更熟悉的“普通物质”；而这其中又只有很少的一部分转化为恒星，成为我们肉眼所见的星系。这些动人的天体见证了宇宙百亿年的历史，经历了难以想象的复杂物理过程。理解它们，也是许多天体物理学家毕生的追求。面对着这看似没有穷尽的难题，百年前，先驱们首先想到的恰是形态分类这个工具；而今天，星系形态背后的秘密依然在指引着天文学家们。下面，我就带您简略地回顾一下探索星系形态分类的历史与进展。
图1. 夏威夷冒那克亚山顶的日本国立光学天文台8.2米昴星团望远镜主焦点照相机拍摄的宇宙无名一隅。图中绝大多数的天体都是或近或远，或大或小的星系。这些形态颜色多样的天体系统是构成宇宙的基石。（图片来自Subaru望远镜Hyper Suprime-Cam主焦点照相机巡天）
发端与争议
1950年，英国皇家天文学会月刊（MNRAS）第110卷里刊登了一篇简短的讣告：约翰·亨利·雷诺 （John Henry Reynold） 于1949年11月2日去世。雷诺的名字可能已经不为人熟知，这位英国天文学家一生筹建了若干望远镜，并致力于对“非银河系星云” （non-galactic nebula，天文学家在确认这些天体位于银河系之外前对星系的称呼）的观测和整理。
雷诺远不是第一个对这些天体感兴趣的学者。耳熟能详的NGC（新星系总表）天体中就有大量星系。最初记录他们的赫歇尔父子（William Herschel和John Herschel）就已在尝试系统地描绘它们。比如著名的仙女座星系M31就被赋予了“!eB,eL,R,vgbM,N”这串神秘的字符。在他们父子的体系里，这意味着“极亮，极大，圆形，中央亮度分布平缓，有核心”。这样“生动”的描述固然有助于理解观测，却没有脱离把每个星系当做孤立个案“收集”的稚嫩研究模式。20世纪初，天文学家依然在沿用着类似的方法，直到雷诺的出现。
图2. 左图是雷诺1913年绘制的M31亮度从中心到外围的分布[1]。雷诺清楚地在图中标出了中心 “球状星云”，即核球的边界。右图是天体摄影师Lorenzo Comolli拍摄的M31仙女座大星系，图中粗略标出了核球和盘的位置。
在他眼里，星系多姿的形态背后定有某种连续的模式。1913年，雷诺开创性地测量了M31亮度从中心到外围的分布[1]（图2），并敏锐地意识到M31由两个部分组成：中心亮度高度聚集的结构（今天称为核球，Bulge）和外围更加延展的结构（今天称为盘, Disk）。在这个进展的启发下，雷诺测量了更多的星系，惊喜地发现它们之间的差别很大程度上可以用核球和盘贡献的不同来解释。1920年的发表的文章里[2]，雷诺进一步将旋涡星系按中心亮度聚集度和旋臂形态分成了7个连续的子类（I-VII），第一次提出了规范的星系形态分类体系。但不知为何，文章并未引起很大反响。
1926年，大西洋对岸，已经名扬天下的天文学家艾德温·哈勃（Edwin Hubble）发表了一篇讨论星系分类的工作[3]。在这篇文章里，哈勃用更为简化的三分类系统（Sa, Sb, Sc）描述旋涡星系。但细读下你会发现，哈勃对这些分类细节的描述竟和雷诺的七个分类一一对应。整篇文章里，哈勃对雷诺的工作只字未提。1927年，雷诺发表了两篇非常克制的回应[4, 5]，并没有针锋相对地指责哈勃剽窃，只批评了哈勃的分类系统没有涵盖应有的结构细节。后面的故事就是我们熟知的历史了：哈勃1926年的文章成为了现代星系分类研究的基石。这个系统经过些许改进，最终通过1936年出版的《星云世界》（The Realm of the Nebulae）一书定型成我们熟知的“哈勃序列”[6]。书中引入的形如“音叉”（Tunning fork）的分类图示（图3）也成为经典。时至今日，天文学家依然在按照哈勃制定的法则称呼不同的星系。
图3. 左图展示了哈勃1926年文章里对“星云”类天体的分类[3]。其中的星系分类的符号至今仍被广泛使用；右图比较了哈勃1936年《星云世界》一书中的“音叉图”星系分类[6]与金斯爵士1929年《天文学与宇宙论》一书中使用的二叉星系分类图示。是否相似？就看读者你的判断了。
在那个通信还不够便捷的年代里解决国际学术争端并不容易。我们无从知晓在1920到1926年间，哈勃是否真对雷诺的工作一无所知。我们知道的是，美国加州帕萨迪那市威尔逊山天文台（注：今天的美国卡耐基学院天文台）收藏的1920年《皇家天文学会月刊》合订版里，雷诺那篇星系分类文章的页边留白处有铅笔留下的批注；雷诺I-VII型星系分类的旁边，分明有Sa, Sb, Sc的字样，笔迹颇像哈勃本人。至于名垂青史的“音叉图”？金斯爵士（Sir. James Jeans）1928年出版的《天文学与宇宙论》（Astronomy and Cosmogony）一书中[7]，在介绍星系分类时就使用了一张颇为神似的二叉分类图（图3）。同样地，哈勃从未提及过金斯著作的影响……
音叉和纺锤
走出湮没在历史中的灰色地带，平心而论，哈勃1926年的文章确实精彩。在这篇50多页的长文中，哈勃在更广泛的意义上讨论了星系的分类。他把亮度分布高度集中，且无明显子结构的星系划分成为椭圆星系（用E表示），并用E1-E7的子类表示星系的椭圆程度。旋涡星系的分类则沿袭了雷诺的思路，按照中心核球显著度，旋臂结构的紧致度和规则度分成了三类 （Sa-Sb-Sc），但哈勃格外强调了在旋涡星系中心常见的棒状结构（Bar），对这些棒旋星系给出了一个与旋涡星系对应的平行分类（SBa-SBb-SBc）。各种“奇形怪状”的星系也被他收纳进了一个不规则星系（Irr）的分类。
更有创见的是，哈勃还提出了透镜状星系（S0）的分类。他认为这类星系代表了没有旋涡结构，但有显著核球的盘星系。在当时的观测下，这类星系是否存在尚有争议，但正是这个大胆的分类让“音叉图”成为了可能（这几种星系类别的示意图见图4）。雷诺批评哈勃的分类不够细致，然而这恰是哈勃的聪明之处：使用更加“粗犷”的分类才能让天文学家专注于星系结构的相似之处，而非纠结细节的差异。在这个形似“音叉”的系统里面，完全呈椭球状的椭圆星系在最左端，依椭圆程度构成一个小序列；从椭圆星系向右看，中心稠密恒星结构的重要性递减，恒星盘的贡献与盘上旋涡结构的显著性不断提高；普通旋涡星系和棒旋星系组成了“音叉”的两臂；而这两支旋涡星系又在透镜状星系处和椭圆星系的子序列交汇，一起勾勒出著名的“哈勃序列”。
图4. 不同的哈勃类型的星系的示例。（图片来自卡耐基-欧文近邻星系巡天（Carnegie-Irvine Galaxy Survey）
如开头指出的，优秀的分类系统有引导人思考背后物理联系的能力。20世纪初期，天文学家刚意识到星系是距离极其遥远，与银河相似的庞大恒星系统；对它们的了解也仅限于位置、亮度和相对速度。此时去谈星系的形成和演化似乎是妄想，但自“音叉图”出现，对不同类型的星系的起源和联系的讨论就未停歇过。1951年，莱曼·斯皮策（Lyman Spitzer）和瓦尔特·巴德（Walter Baade）提出假说，认为没有旋臂的透镜状星系可能来自通过星系相互作用失去了气体的旋涡星系[8]，这一理论与我们今天的认识已颇为相近。之后的30年里，光谱观测技术日新月异，天文学家们终于得以具体地测量不同星系内恒星的组成和运动规律。
正是在这些观测的帮助下，“哈勃序列”展现出了更加诱人的一面。序列左侧的椭圆星系和透镜状星系质量往往更大，主要由垂老的恒星组成；这些杂乱运动着的恒星构成了主导星系的椭球状结构；星系内部严重缺乏新鲜血液。序列右端则是一番不同的景象。旋涡星系中的恒星主要分布于规则旋转的盘上；星系的主要成员显然更加年轻，生机勃勃的旋臂上常点缀着刚刚诞生的星团。两类星系所处的“生态系统”也有所不同：椭圆星系更喜欢居住在成员众多的星系团内部，而旋涡星系则喜好“人口”不那么稠密的地带。从小小的“音叉”上面，不知共鸣出了多少事关星系演化的真知灼见。
与此同时，执着的天文学家们还不断地给哈勃搭建的构架添砖加瓦，丰富细节。法国天文学家杰拉德·德沃库勒（Gerald de Vaucouleurs）在60年代初提出的星系形态分类把音叉演化为了一个三维的纺锤[10, 11]，每个截面上都分布着细节各异的星系。但此时的星系形态研究也遇到了尴尬的瓶颈：所有的细节都已被描述，但物理解释还是遥遥无期，我们下面该做什么呢？这就是星系形态研究的尽头了吗？
图5. 在积分场光谱仪观测的帮助下，Atlas3D巡天项目提出的新的星系分类系统。在这个二维系统里面，星系被按照运动学特性和旋臂的显著程度分类。这个脱胎于哈勃序列的分类系统更能体现星系内部的物理规律，并将哈勃的“音叉”图变形为了一把“梳子”。图片来自[12]；经过了注释和修改
梳子和万花筒
2013年6月24日，巴黎十四区阿拉戈大街上一幢规整的建筑物内，百余位天体物理学者聚会一堂，以学术会议的形式庆祝巴黎天体物理研究所（Institut d'astrophysique de Paris）成立75周年。会议的主题正是“哈勃序列的起源”。会议的第一个报告来自于牛津大学的罗杰·戴维斯 （Roger Davies）。这位著作等身的学者曾是一个被称为“七武士”（Seven Samurai）的小团体的一员[a]。“武士们”利用世界各地的望远镜观测了400个椭圆星系，打开了星系巡天研究的大门。
戴维斯在报告里展示了用新的积分场光谱仪（Integral Field Spectrogarph）技术在260个近邻早型星系（早型星系是椭圆星系和透镜状星系的统称）里发现的惊人结论。这类仪器协助他们精细地描绘了这些星系不同位置上的恒星运动和形成历史，揭开了它们的真面目[12]：许多椭圆星系也被规则地绕转的恒星主导；而分类上一直模棱两可的透镜状星系则被发现拥有丰富和多样的结构和运动信息。尽管没有夺目的旋涡图样，他们依然可以和旋涡星系一样，按照由规则旋转的恒星盘的贡献分成早型和晚型，构成一个和旋涡星系平行的分类序列。在这一进展的推动下，戴维斯和合作者们在近70年后对哈勃序列进行了重大的改写。“音叉”摇身一变，成了一把“梳子” （图5）。
在这个新的系统下，星系不再简单地依形态归类，而是按其内部恒星运动状态构成连续的序列。和“音叉”比，“梳子”更契合近20年宇宙学和星系物理的进展。这期间，宇宙加速膨胀和冷暗物质模型脱颖而出，代表了人类对宇宙的最新理解。星系形成的整体图像也更为清晰：暗物质晕在引力的作用下相互吞食、成长；内部的重子气体向着中心坠落，再按照角动量守恒的“金科玉律”形成旋转主导的盘结构。这些结构可以不断地积累气体和新恒星，演化出不同类型的旋涡星系；也可以在内部反馈或外界环境的影响下逐渐变为不再形成恒星的透镜状星系；更可以在同类相残的并合中演化成为缓慢旋转的早型星系。而这些物理过程都可以在“梳子”里得到体现。
“梳子”能否取代“音叉”成为新的星系分类标准仍需时间检验，但它们都只代表了对当前宇宙中质量较大星系的静态理解，不能完善地体现星系的真实复杂度。近年来，在两个系统里都没有受到重视的小质量矮星系中，天文学家看到了堪比整个哈勃序列的形态多样性（图6）。更重要的是，得益于有限光速和难以想象的庞大尺度，天文学家可以坐上时光机，在宇宙深处一探星系幼年的面貌。飞速进展的高红移星系观测展现出一个似曾相识，却又恍如隔世的星系世界：早在110亿年前，哈勃序列的雏形已然具备（图7），但同时还有大量的星系正在激烈的演化进程中，其光怪陆离的形态显然超出了当前分类系统的能力。
如果说“哈勃序列”代表了在不假设物理联系的前提下梳理复杂的星系结构的分类方法，在研究深入星系“基因”层面的今天，新的分类系统则愈加需要体现出星系形成演化的内在联系。今天我们仿佛是透过一支万花筒在看星系，每改变一个参数，变换一个视角，都可能会看到不同的面貌。如何从星系形态结构中提取出更接近物理本质的秩序，依然是一个颇让人期待的挑战。
图6. 姿态万千的矮星系“动物园”。这里用几个例子展示了矮星系类群的几个重要子类：dE代表矮椭圆星系，这些星系形态规则，中心亮度集中，质量偏大；dIrr代表矮不规则星系，这些星系被气体和恒星形成主导，形态不对称；dSph代表矮椭球星系，这类星系是宇宙中最黯淡的星系，完全被暗物质主导，恒星质量只比球状星团略大；UCD代表极致密矮星系，这类常在星系团中发现的星系恒星分布极其致密，被老年恒星主导；BCD代表了蓝致密矮星系，这些星系是星系形成矮星系的极端代表，整个星系往往只有若干大质量恒星形成区主导；UDG代表极弥散矮星系，是近两年才被注意到的低面亮度星系类型。虽然这些星系的质量不大，但尺度和银河系相近。（M 101图片来自Panther天文台；NGC1427A，M60 UCD-1和IzW 18的图片来自哈勃空间望远镜；Fornax矮椭球星系的图片来自欧洲南方天文台；Dragonfly 44的图片来自凯克天文台）
图7. 光怪陆离的高红移星系世界。左图：哈勃空间望远镜的观测告诉我们，早在110亿年前，大质量的星系就已经演化出了哈勃序列的雏形，各个哈勃序列主要分类都能找到对应；右图：与此同时，还有大量的星系处于迅速演化的过程中，这些星系形态各异，往往无法按照哈勃序列进行分类。（图片均来自哈勃空间望远镜的观测；左图来自空间望远镜图片档案库；右图来自马克斯·普朗克天体物理研究所）
尾声
2006年，正在牛津大学攻读博士学位的凯文·沙温斯基（Kevin Schawinski）正为毕业论文头疼不已。他毕业论文的题目是星系恒星形成活动与星系结构的关系，而项目的第一步就是对斯隆数字巡天项目观测的9万多个星系进行形态分类。和百年前的前辈们一样，沙温斯基开始全凭自己一双肉眼，但很快就意识到这终究不是办法。随着巡天的进行，观测星系的数量飞速增加，岂不是要把自己累死？懒，有时真是进步的动力。沙温斯基和他的同事克里斯·林托德（Chris Lintott）一起建立了一个叫做“星系动物园”（Galaxy Zoo）的网站。在这里，任何公众都可以在经过简单的训练后对真实的星系图像进行简单的形态分类。网站取得了意想不到的巨大成功，不仅帮助沙温斯基和其他天文学家分类了上百万的星系，发现了之前谁都不曾留意的星系类型，还吸引了无数公众开始了解星系这类迷人的天体。
但站在严谨的科学视角上，无论大众还是科学家，肉眼终究不够客观。在这个不谈机器学习就显得落伍，电脑已是第一围棋高手的时代，天文学家自然不会掉队。2015年，来自巴黎天文台的马克·赫塔斯-康帕尼（Marc Huertas-Company）率先将深度学习（Deep Learning）应用于星系形态自动分类，取得了和肉眼准确率相近的喜人结果[13]。目前，他正在谷歌公司的资助下开发更好的算法，为研究未来巡天带给我们的数以亿计星系的结构做准备。另一条战线上，致力于在计算机中扮演上帝的数值模拟专家们也不断有着新的进展。最新的宇宙学流体动力学模拟已经可以在几乎不需人为干涉的条件下重现出各类形态以假乱真的星系。在日新月异的观测和理论进展下，星系形态结构的分类和研究仍充满着活力。
诚如我们开篇所讲，构成太阳、地球和我们的重子物质只是星系整体的冰山一角。但恰是在这看似无足轻重的点滴质量里呈现出了无比复杂却又完美和谐的星系结构，如海夜尽头遥远灯塔的光亮，不断引导着天文学家们去挑战宇宙的神秘。
读过本文后，你能分辨出下面的几个星系在哈勃音叉分类系统里属于什么类型？
通过留言发送你的答案，5位答对的幸运读者可以获得哈佛大学理论物理学教授丽莎·兰道尔撰写，苟利军、李楠、尔欣中翻译，湛庐文化出品的《暗物质与恐龙》一书。
作者简介：
黄崧，美国加州大学圣克鲁兹分校天文与天体物理系博士后。2014年获南京大学天文学与空间科学学院博士学位。2014-2016年在东京大学科维里数物联携宇宙研究所从事博士后研究。研究领域为大质量星系的形成和演化，以及近邻星系的结构与星族研究。
注释：
[a] “七武士”成员包括David Burstein, Roger Davies, Alan Dressler, Sandra Faber, Donald Lynden-Bell, Roberto Terlevich, Gary Wegner.
参考文献：
[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, Nebulæ, 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] 关于哈勃分类的早期历史，本文大量参考了: Sandage, A. (2005), ARA&A, 43, 581, The Classification of Galaxies: Early History and Ongoing Developments.
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