由中国天文学家主导，来自全球近20个研究机构的科研人员组成的国际团队，使用哈勃空间望远镜（HST）、加拿大-法国-夏威夷望远镜（CFHT）、北双子座望远镜（Gemini North）和Burrell施密特望远镜的观测数据，发现了矮星系在星系团致密环境中被瓦解剥离，逐渐演化为超致密矮星系的完整过程，揭示了困扰天文学家许久的超致密矮星系起源之谜。这一重要研究成果发表在2023年11月9日出版的国际顶尖科学期刊《自然》（Nature）上。北京大学物理学院天文学系和科维理天文与天体物理研究所的博士研究生王凯翔为论文的第一作者和共同通讯作者。
随着天文观测设备和技术的日益发展进步，天文学家发现了众多具有极端性质的星系，如超致密矮星系（ultra-compact dwarf galaxy, UCD）和超弥散星系（ultra-diffuse galaxy, UDG）等。极端性质星系的发现使得星系大家族愈加丰富，同时也对现有的星系形成和演化理论提出了挑战，研究这些极端性质的星系对星系形成和演化理论的完善有重要意义。
长期以来，星系和星团被认为是截然不同的两类天体。星系在暗物质晕中诞生成长，有较为复杂的恒星形成历史；星团则脱胎于星系内部的巨型分子云团块。2000年前后，人们首次发现了超致密矮星系，其性质介于星系和星团之间，使得星系和星团之间原本清晰的界限变得模糊。超致密矮星系的起源也一直存在着争议，一方认为超致密矮星系起源于大质量球状星团，另一方则认为超致密矮星系是普通有核矮星系经历了吸积并合过程，外层恒星晕被剥离后遗留下来的中心核星团。近年来，尽管越来越多的研究结果支持部分超致密矮星系起源于被剥离的矮星系，但是矮星系演化为超致密矮星系的具体过程还没有被观测证认。
近年来，利用下一代室女星系团巡天（NGVS）的观测数据，研究团队在室女星系团里搜寻到约600个超致密矮星系候选体。通过光谱证认以及全面细致的形态分析，发现约有15% 的超致密矮星系被暗弱的恒星晕所包围。这些超致密矮星系在形态、颜色、空间分布等特征上都与新定义的一类“强核矮星系”（strongly nucleated dwarf galaxy）高度相关，强核矮星系很可能是矮星系演化为超致密矮星系的一个中间阶段。此外，研究人员还在某些强核矮星系和超致密矮星系周围发现了极其暗弱的“S”型星流结构，这是正在被潮汐瓦解的直接证据。
图1 左侧两列分别为研究中发现的部分强核矮星系和超致密矮星系的光学图像。右侧为它们在室女星系团中心区域的空间分布，这些星系大多集中在巨椭圆星系M87周围，表明星系团中心的致密环境对它们的形成有着重要作用
王凯翔表示：“室女星系团中超致密矮星系的角直径接近地面大型望远镜的分辨能力极限，其恒星晕和潮汐尾的面亮度比夜空要暗上百倍。因此，观测超致密矮星系及其周围暗弱的结构对观测数据的空间分辨率和曝光深度都有非常高的要求，后期的数据处理过程也需要足够细致。在该工作中，我们首次观测到了超致密矮星系形成的各个阶段，就像时间切片一样，刻画了从普通矮星系到超致密矮星系（甚至星团）的变身过程。”
论文的共同通讯作者，曾在北京大学天文学系做博士后的上海交通大学物理与天文学院刘成则副研究员介绍：“这个工作主要的研究对象是有暗弱恒星晕的超致密矮星系，之前的工作对这类特殊超致密矮星系的研究大多局限于个体。这是首次基于完备样本对这一类特殊的超致密矮星系进行形态研究和面亮度轮廓分析，其结果具有统计学意义。”
有趣的是，文中发现宇宙中最弥散的星系（超弥散星系UDG）和最致密的星系（超致密矮星系UCD）可能是同源的，都是由普通星系演化而来。超弥散星系可以是矮星系演化为超致密矮星系过程中的一个中间阶段。当星系中的大量暗物质首先被潮汐剥离时，星系内的恒星分布将变得比原先更为弥散。而当星系外围恒星被逐步剥离后，留下中心的核星团成为超致密矮星系。该研究进一步完善了部分矮星系到超致密矮星系的演化轨迹为：普通有核矮星系à有核的超弥散星系/低面亮度星系à强核矮星系à有暗弱恒星晕的超致密矮星系à超致密矮星系。
图2 观测得到的从正常矮星系被瓦解形成超致密矮星系的各阶段示意图，整个过程将持续20—30亿年。M87星系周围的数百个超致密矮星系中，可能有相当一部分来自于这种机制。制图：王凯翔；背景图源：NASA/R. Gendler
另一位共同通讯作者，曾任北京大学天文学系长聘副教授的美国光学-红外天文实验室（NOIRLab）天文学家Eric Peng（彭逸西）补充道：“研究超致密矮星系的起源对理解星系的形成和演化有着重要意义。此外，超致密矮星系也是星系团考古研究的重要探针。室女星系团可能在过去20—30亿年间经历了一次比较大的并合事件，有数百个星系落入到了室女星系团中心星系M87附近。部分矮星系外围的恒星晕在并合过程中被剥离，其中心致密的星系核演化为超致密矮星系。与此同时，被剥离掉的恒星弥散在M87周围，成为星系团内光（intracluster light，ICL）的一部分。我们估计M87的外围恒星晕中约有30%的恒星质量来自于这些并合的矮星系，这对理解巨椭圆星系的并合成长历史提供了重要参考。”
据了解，该研究团队将继续使用包括韦布空间望远镜（JWST）、哈勃空间望远镜在内的多台国际大型天文望远镜对超致密矮星系进行后续观测，期待揭晓更多与之相关的科学奥秘。
本研究得到国家自然科学基金、中国载人航天项目、粒子物理与星系宇宙学教育部重点实验室的支持。论文的主要合作机构还有加拿大国家研究院Herzberg天文与天体物理研究中心、凯斯西储大学、卡尔加里大学、加州大学圣克鲁兹分校及河滨分校、中国科学技术大学等。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06650-z
相关文章：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4365/abad91
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