银河系中散布着许多被其引力撕裂的星系留下的恒星遗迹。但这些星系在瓦解前究竟是什么模样？今天仍然幸存的矮星系，未必能够代表那些已经瓦解的同类。如果不能重建后者的原始结构，我们对矮星系如何演化、银河系如何逐步组装的认识就难以完整。
中国科学院国家天文台赵刚院士团队联合中国科学院紫金山天文台等单位，通过分析人马座星流中恒星的化学组成与运动特征，并结合N体数值模拟，为人马座矮星系曾拥有旋转盘提供了新证据。研究进一步推断，该盘具有不同寻常的“∧形”径向金属丰度分布，即恒星平均金属丰度随半径增加先升高、后降低。相关成果将于2026年10月13日在国际学术期刊《自然·天文学》（Nature Astronomy）发表。
人马座矮星系正受到银河系引力的潮汐作用，部分恒星被逐渐剥离，在轨道上形成绵延的星流，星系本身则仍保留残余核心。然而，不同内部结构的星系在瓦解后，可能留下位置和速度分布相似的星流。因此，人马座矮星系在遭受潮汐破坏前是否具有旋转盘，一直存在争论。而恒星的化学组成信息则为检验这一问题提供了新的重要线索。
“我们的模拟表明，仅有旋转盘还不足以解释观测。”论文共同第一作者郭子熙说，“盘上金属丰度沿半径的分布，对于同时重现人马座星流的前导臂和后随臂的观测特征至关重要。”
“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、通讯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。”
研究团队综合利用郭守敬望远镜（LAMOST）、斯隆数字巡天（SDSS）以及欧洲空间局Gaia卫星的观测数据，分析人马座星流的前导臂和后随臂。天文学家将氦以外更重的元素统称为“金属”，并用金属丰度描述这些元素的相对含量。在对人马座星流的分析中，研究人员以铁与氢的相对丰度（[Fe/H]）作为恒星金属丰度指标。
研究发现，在人马座星流的前导臂和后随臂中，靠近银河系中心一侧的恒星总体上金属丰度较高，远离银河系中心一侧则相对较低，形成近乎垂直于星流运动方向的金属丰度梯度。进一步分析发现，恒星金属丰度与角动量存在相关性，且该观测特征具有较好的稳健性。
“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。”
为检验这一解释，研究团队开展N体数值模拟，追踪不同结构的前身星系在银河系潮汐作用下失去恒星、形成星流的过程。他们比较了盘状、椭球状和具有旋转运动的椭球状三类星系模型，并为每类模型分别设置两种径向金属丰度分布：一种随半径增大持续下降，另一种先升高、后降低。
结果表明，在所测试的模型中，只有具有“∧形”径向金属丰度分布的旋转盘模型，能够同时重现前导臂和后随臂中观测到的金属丰度与角动量相关性。
“人马座星流的前导臂和后随臂分别提供了原始星系不同区域的信息。”紫金山天文台常江副研究员说，“我们的模拟显示，前导臂主要追溯前身星系较外侧的恒星，后随臂则提供更靠近中心区域的信息。结合两条星流臂，可以约束原始星系特殊的金属丰度分布。”
为了解这一特殊分布是否也存在于今天仍然存活的矮星系中，研究团队利用SDSS的MaNGA巡天数据，分析其他矮星系中恒星金属丰度随半径的变化。在符合筛选条件的217个矮星系中，研究人员找到了3个具有明确类似分布的例子。这说明，该特征在所研究样本中并不常见，但也并非人马座矮星系所独有。
此前研究还发现，银河系也具有类似的径向金属丰度分布。不过，这些相似性是否源于共同的物理过程，目前仍有待研究。研究人员认为，恢复已瓦解矮星系的部分原始性质，有助于将它们纳入与现存矮星系的比较，弥补仅研究幸存星系的局限。
“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。”
图1：人马座星流成员星的分布。左图：前导臂和后随臂在银心坐标系中的空间分布。蓝线表示银河系盘面，蓝点表示银河系中心。灰点表示人马座矮星系核心的位置，灰色虚线表示其轨道，灰色箭头表示其运动方向。箭头表示运动方向，箭头长度表示速度大小，颜色表示恒星的金属丰度。右图：金属丰度 [Fe/H] 与角动量分量的关系。红色和蓝色等高线分别表示前导臂和后随臂的分布，两条星流臂均呈现金属丰度与之间的相关性。
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