人马座矮星系就正在经历这样的命运。它的一部分恒星不断被银河系的引力剥离，沿轨道散布开来，形成绵延的“人马座星流”。如今，原来的星系仍留有残余主体，许多恒星却早已远离曾经的家园。

人马座矮星系于1994年被发现，是银河系众多卫星星系中的一员。在银河系引力的持续撕扯下，它的恒星被拉成一条环绕整个天空的巨大恒星带，堪称银河系中最壮观的潮汐星流。这样的星流对天文学家价值非凡：银河系正是通过不断吞噬、合并邻近的小星系才逐渐成长起来的，星流就像一次“吞并事件”留下的现场，保存着银河系成长史的一手记录。研究它们的学科，被称为“星系考古学”——只不过考古的对象不是陶片和青铜器，而是恒星。

星系的原貌难以直接辨认，但散落的恒星并非毫无线索。中国科学院国家天文台赵刚院士团队牵头，联合紫金山天文台等单位的研究人员，将恒星的化学成分与运动信息结合，并利用数值模拟追溯星流的形成过程，为人马座矮星系曾拥有旋转恒星盘找到了新的证据。更出人意料的是，研究还指向这个星盘内部一种不同寻常的化学分布。相关成果于2026年10月13日在Nature Astronomy发表。

/ 失散的恒星，

还能留下哪些线索？

恒星盘是一种由大量恒星组成、整体较为扁平的结构，其中的恒星具有有序的旋转运动。人马座矮星系在瓦解之前是否存在这样的星盘，一直是天文学家争论的问题。

难点在于：恒星一旦离开原来的星系，其轨道便持续受到银河系引力影响。不同内部结构的前身星系，可能留下位置和速度相似的星流。只知道这些恒星今天在哪里、怎样运动，并不足以可靠地还原它们过去的家园。

这里的“潮汐”并不神秘。月球对地球朝向它和背向它两侧的引力略有差异，海水因此被拉长，才有了潮起潮落；银河系对一个路过的矮星系也是同样的道理——靠近的一侧被拉得厉害，远离的一侧拉得轻，星系就这样被一点点撕开，恒星沿轨道散落成流。

于是，研究人员寻找另一类线索——恒星的化学组成。天文学家把氢、氦以外的元素统称为“金属”，即使其中包含日常生活中并不叫作金属的氧等元素。“金属丰度”用来描述这些重元素的相对含量。

在具体分析中，天文学家常用铁与氢的相对丰度[Fe/H]来衡量金属丰度：太阳的[Fe/H]约为0，数值越负，代表金属含量越低。恒星大气就像一张出生地的“化学快照”，诞生时环境的化学成分会一直保存在光谱里，任凭恒星此后漂泊多远。

一个星系的不同区域，可能经历了不同的恒星形成与化学富集过程，因而留下不同的金属丰度特征。恒星被引力剥离后，运动轨道会改变，但其化学组成仍能在很大程度上保留过去的演化信息。当然，仅凭某颗恒星的金属丰度，不能直接判断它原先位于哪里；要找到规律，还需要将许多恒星的观测放在一起分析。

/ 两条星流臂中，

出现了同一种规律

研究团队使用郭守敬望远镜（LAMOST）和斯隆数字巡天（SDSS）的光谱数据，并结合欧洲空间局Gaia卫星测得的位置、运动等信息，研究人马座星流的前导臂和后随臂。简单来说，它们是沿着星系运动轨道，分别向前方和后方延伸的两条恒星带。

在两条星流臂中，研究人员发现沿着大致垂直于星流运动的方向，靠近银河系中心一侧的恒星通常更“富金属”，远离银河系中心的一侧则相对“贫金属”。

为了把这种规律描述得更精确，团队进一步考察了恒星金属丰度与角动量某一分量的关系。角动量与恒星相对于银河系中心的位置和运动速度有关，能够反映其轨道运动的特征。结果表明，两条星流臂中都存在明显的金属丰度—角动量相关性，并且在不同恒星样本和星流区域的检验中依然能够看到这一趋势。

“金属丰度与角动量的相关性提示，前身星系的旋转可能在星流中留下了化学印记。”论文共同通讯作者刘超研究员说，“我们希望通过比较不同的前身星系结构，检验这一线索。”

图1 人马座星流成员星的分布。左图：前导臂与后随臂在银心坐标系中的空间分布，颜色表示恒星金属丰度，灰色点与虚线为人马座矮星系核心的位置及其轨道；右图：恒星金属丰度[Fe/H]与角动量分量Ly的关系，红色与蓝色等高线分别对应前导臂与后随臂。图源 / Guo et al., Nature Astronomy, 2026

这会不会是原始星系的旋转，在被剥离出去的恒星中留下了可以辨认的“痕迹”？观测提供了线索，但要回答这个问题，还得试着把星流的形成过程重演一遍。

“恒星流不只是星系瓦解后留下的残骸，也保存着它瓦解前原始结构的线索。”论文共同第一作者薛香香研究员说，“将恒星的化学组成和运动信息与N体数值模拟结合起来，我们就可以利用这些线索研究前身星系的内部结构。”

/把时间倒回去：

哪种星系能留下这样的痕迹？

研究人员利用N体数值模拟，让大量代表恒星和暗物质的粒子在引力作用下运动，追踪不同结构的前身星系如何被银河系剥离，最终形成今天看到的星流。

他们比较了盘状、球状（椭球状）和具有旋转运动的椭球状等模型，还为模型中的恒星设定了不同的径向金属丰度分布。需要说明的是，这些模拟追踪的是恒星的动力学演化，而不是直接模拟金属元素怎样在星系里产生和富集。研究人员关心的是：什么样的初始结构与化学分布，才能在瓦解后留下观测到的规律？

“答案并不是只要原来的星系会旋转就行。”论文共同第一作者郭子熙说，“在这项研究测试的模型中，只有带有特定金属丰度分布的旋转星盘，能够同时重现前导臂和后随臂里的关键相关性。”

模拟还揭示了一个特别重要的对应关系：前导臂中的恒星主要追溯到原始星系相对外侧的区域，后随臂则更多反映相对内侧的信息。这两个来源范围并非截然分开，却能够提供互相补充的线索。

换句话说，今天散落在银河系中的两条星流臂，仿佛各自保存了原始星盘不同区域的一部分记录。把它们放在一起，研究人员才得以反向推断：被剥离之前，星盘中的金属丰度究竟如何随半径变化？

不妨把原始星盘想象成一本书：潮汐作用把它撕开，前导臂和后随臂各自带走了一部分“章节”。单看任何一半，故事都不完整；把两半拼在一起，天文学家才第一次有可能定量复原这本书的内容——一座早已瓦解的星系，其内部结构竟能以这种方式被“追认”出来。

图2 模拟还原的“星系画像”。左上：星流恒星的金属丰度与其被追溯到的原始星盘半径的关系，呈明显的“∧”形，下方直方图显示前导臂（红）恒星主要来自星盘较外侧、后随臂（蓝）主要来自较内侧；右上：星流恒星在银河系中的分布，颜色表示其原本所属的半径；下排：观测（彩色实线）与模拟（黑色虚线）在金属丰度—角动量平面上的等高线对比，二者高度吻合。图源 / Guo et al., Nature Astronomy, 2026

/ 一个有些出人意料的分布

如果把恒星的平均金属丰度作为纵轴、它们到原始星盘中心的距离作为横轴，研究推断出的变化趋势近似一个“∧”形：从较内侧向外，金属丰度先升高，在中间半径附近达到峰值，随后又逐渐降低。

这与许多星系中较常见的“越往外金属丰度越低”不同。特别之处不只是星盘可能存在旋转，而是它的化学结构也不同寻常；二者结合起来，才能解释两条星流臂中的观测特征。

这种“∧形”分布为什么值得大惊小怪？在许多星系中，恒星形成最活跃、金属增丰最彻底的区域往往位于中心，因此金属丰度通常从中心向外单调下降。而“∧形”分布意味着，这座星系最“富金属”的恒星并不聚在核心，而是集中在一个中间半径的环带上——这暗示它有着与常见图景不同的化学增丰历史。顺带一提，下一段出现的“千秒差距”是天文学常用的距离单位，1千秒差距约等于3260光年。

不过，这并不是一幅已经完整复原的“原始星系画像”。星流观测与数值模拟对前身星系中心约1.5千秒差距以内的区域约束仍然较弱；现有光谱巡天的天区覆盖也没有遍及整条人马座星流。研究所呈现的，是在这些条件下对原始星盘结构作出的有依据的推断。

/ 这样的星系，

只有一个吗？

为了寻找可以比较的对象，研究团队还查阅了SDSS的MaNGA巡天数据。在按特定条件筛选的217个矮星系中，他们找到了3个具有明确相似径向金属丰度分布的例子。这说明这种分布在该样本中并不常见，但也不是人马座矮星系独有的现象。

MaNGA这类巡天采用“积分场光谱”技术：一次曝光就能同时获得星系内成百上千个位置的光谱，相当于给星系做一次全面的“化学体检”，从而画出金属丰度随半径变化的地图。正是借助这样的数据，科学家才有可能在其他矮星系中寻找与“∧形”分布相似的案例。

图3 MaNGA巡天中三个呈现明确“∧形”径向金属丰度分布的矮星系。横轴为到星系中心的距离（以特征半径为单位），纵轴为以太阳为参照的金属丰度，红色三角表示各半径处的平均值。图源 / Guo et al., Nature Astronomy, 2026

此前还有研究报告，银河系本身也呈现类似的金属丰度变化趋势。不过，曲线形状相似，是否意味着这些星系经历过相似的物理过程，目前仍没有定论。

耐人寻味的是，人马座矮星系曾长期绕银河系运转，二者难免相互影响。研究团队由此提出一个开放问题：人马座矮星系与银河系之间，是否发生过某种特殊的共同演化，才让两者拥有相似的化学轮廓？要回答这个问题，还需要更多的观测与模拟。

回到文章开头的问题：一座星系被逐渐瓦解之后，它的过去还能被认识吗？这项研究还无法还原人马座矮星系曾经的全部模样，却表明星系结构即使已被破坏，部分信息也可能留存在那些远离家园的恒星中。

它们的化学组成与运动轨迹，就像两种相互补充的线索。沿着这些线索，我们仍有机会读出一座星系过去的一部分历史。

“人马座星流让我们有机会恢复原始星系的部分结构，并将其与现存矮星系进行比较。”论文共同通讯作者赵刚院士说，“这样的比较有助于我们更好地理解矮星系如何形成和演化。”

这项工作的意义，不止于给人马座矮星系“画像”。它示范了一条可行的研究路径：把巡天望远镜测得的化学“指纹”，与Gaia卫星精测的运动信息结合，再用数值模拟把星系瓦解的过程“倒带重放”，从今天的残骸反推昨天的模样。这意味着，那些早已被撕碎的星系不再是研究空白，它们同样可以被纳入与幸存矮星系的系统比较，帮助天文学家拼出更完整的星系演化图景；也再次说明，基础研究与大型观测设备是“慢功夫”——LAMOST多年积累的千万量级恒星光谱，正是这类“星系考古”得以开展的基石。

— 论文信息 —

论文：A ∧-like metallicity profile in the disk of the Sagittarius dwarf galaxy

期刊：Nature Astronomy（《自然·天文学》）

DOI：10.1038/s41550-026-02996-2

链接：https://www.nature.com/articles/s41550-026-02996-2

作者简介 / 

郭子熙，中国科学院国家天文台在读博士生，主要利用数值模拟研究银河系的动力学演化，关注银河系的并合历史。

薛香香，中国科学院国家天文台研究员，主要利用LAMOST等大规模巡天数据开展银河系结构与动力学研究，关注银河系暗物质质量分布及银晕演化问题。