在标准冷暗物质宇宙学模型中，小质量星系率先形成，之后在引力的作用下，小质量星系逐渐并合形成大质量星系。然而有一类特殊的星系“不走寻常路”，沿着由大到小的轨迹演化。


图1：通常，小星系通过并合过程演化为大星系；超致密矮星系相反，大星系经过瓦解过程演化为小星系。

图源：Wang et al. 2023, Nature, 623, 296.

这一特殊星系叫做超致密矮星系（ultra-compact dwarf galaxy, UCD），于2000年前后被人们首次发现，其性质介于星团与星系之间。自发现至今，超致密矮星系的起源一直存在争议，一方认为它是大质量球状星团，另一方则认为它起源于星系。近期，一个由全球近20个研究机构的科研人员组成的国际团队，使用多台大型望远镜的观测数据，首次发现了从有核矮星系（nucleated dwarf galaxy）到超致密矮星系的完整演化序列，证实了星系可以沿着由大到小的轨迹演化，揭示了困扰科学家许久的超致密矮星系起源之谜。相关研究成果于近日在顶尖学术期刊《自然》（Nature）上发表。此外，《自然》同步发布了一篇News and Views文章，对该成果进行了推介。


顾名思义，超致密星系是极端致密的恒星系统，是近域宇宙中最致密的星系。此外，宇宙中还存在一类极端松散的恒星系统--超弥散星系（ultra-diffuse galaxy, UDG），它们是宇宙中最弥散的星系。这些具有极端性质的星系对现有的星系形成和演化理论提出了挑战，相关研究对于完善星系形成和演化理论具有重要意义。该研究团队发现，某些超弥散星系和超致密矮星系可能是同源的，都是由矮星系演化而来，这使得宇宙中最弥散的星系和最致密的星系紧密结合了起来。

论文第一作者兼共同通讯作者，北京大学物理学院天文学系、科维理天文与天体物理研究所的博士研究生王凯翔表示：“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，刻画了从有核矮星系到超致密矮星系（甚至星团）的变身过程。” 在并合瓦解过程中，矮星系中的暗物质晕率先被剥离，星系的恒星分布愈加弥散。之后，星系的恒星开始被剥离，恒星晕越来越小，逐渐消失，残留下来的星系核成为超致密矮星系。该研究进一步完善了有核矮星系到超致密矮星系的演化轨迹：有核矮星系→有核超弥散星系→强核矮星系→有暗弱恒星晕的超致密矮星系→超致密矮星系，整个过程持续约20-30亿年。


图2：从有核矮星系到超致密矮星系的演化序列，整个过程持续时间约20-30亿年。

制图：王凯翔；背景图源：NASA/R. Gendler。

近年来，使用下一代室女星系团巡天（NGVS）的图像数据，研究团队搜寻到600多个超致密矮星系，这是迄今最大的超致密矮星系样本，也是首个在星系团尺度完备的超致密矮星系样本。基于该样本，研究人员发现，约有15%的超致密矮星系周边有暗弱的恒星晕，这些特殊的超致密矮星系是这个工作的主要研究对象。论文的共同通讯作者，上海交通大学物理与天文学院、李政道研究所刘成则副研究员介绍：“这是首次基于完备样本对有暗弱恒星晕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。”

另一位共同通讯作者，美国光学红外天文研究实验室（NOIRLab）的Eric Peng补充道：“超致密矮星系是星系团考古研究的重要探针。有核矮星系恒星晕被剥离后，其中心的星系核成为超致密矮星系，被剥离掉的恒星弥散在星系团中，成为星系团内光（intracluster light, ICL）的一部分。我们估计，室女星系团中心星系M87的恒星晕中约有30%的恒星质量来自并合过来的矮星系，这对于理解巨椭圆星系的并合成长历史提供了重要参考。”

该研究团队将继续使用韦布空间望远镜（JWST）、哈勃空间望远镜等大型观测设备对超致密矮星系进行后续观测，以解开致密恒星系统更多的科学奥秘。

该研究得到了国家自然科学基金、中国载人航天项目（中国空间站望远镜CSST）以及粒子天体物理与宇宙学教育部重点实验室的支持。

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
News and Views  https://www.nature.com/articles/d41586-023-03275-0