由中國天文學家主導、來自全球近20個研究機構的科研人員組成的國際團隊使用哈勃空間望遠鏡（HST）、加拿大-法國-夏威夷望遠鏡（CFHT）、北雙子座望遠鏡（Gemini North）和Burrell施密特望遠鏡的觀測資料，發現了矮星系在星系團緻密環境中被瓦解剝離，逐漸演化為超緻密矮星系的完整過程，揭示了困擾天文學家許久的超緻密矮星系起源之謎。這一重要研究成果發表在2023年11月9日出版的科學期刊《自然》（Nature）上。北京大學實體學院天文學系和科維理天文與天體實體研究所的博士研究所學生王凱翔為論文的第一作者和共同通訊作者。
随着天文觀測裝置和技術的日益發展進步，天文學家發現了衆多具有極端性質的星系，如超緻密矮星系（ultra-compact dwarf galaxy, UCD）和超彌散星系（ultra-diffuse galaxy, UDG）等。極端性質星系的發現使得星系大家族愈加豐富，同時也對現有的星系形成和演化理論提出了挑戰，研究這些極端性質的星系對星系形成和演化理論的完善有重要意義。
長期以來，星系和星團被認為是截然不同的兩類天體。星系在暗物質暈中誕生成長，有較為複雜的恒星形成曆史；星團則脫胎于星系内部的巨型分子雲團塊。2000年前後，人們首次發現了超緻密矮星系，其性質介于星系和星團之間，使得星系和星團之間原本清晰的界限變得模糊。超緻密矮星系的起源也一直存在着争議，一方認為超緻密矮星系起源于大品質球狀星團，另一方則認為超緻密矮星系是普通有核矮星系經曆了吸積并合過程，外層恒星暈被剝離後遺留下來的中心核星團。近年來，盡管越來越多的研究結果支援部分超緻密矮星系起源于被剝離的矮星系，但是矮星系演化為超緻密矮星系的具體過程還沒有被觀測證認。
近年來，利用下一代室女星系團巡天（NGVS）的觀測資料，該研究團隊在室女星系團裡搜尋到約600個超緻密矮星系候選體。通過光譜證認以及全面細緻的形态分析，發現約有15% 的超緻密矮星系被暗弱的恒星暈所包圍。這些超緻密矮星系在形态、顔色、空間分布等特征上都與新定義的一類“強核矮星系”（strongly nucleated dwarf galaxy）高度相關，強核矮星系很可能是矮星系演化為超緻密矮星系的一個中間階段。此外，研究人員還在某些強核矮星系和超緻密矮星系周圍發現了極其暗弱的“S”型星流結構，這是正在被潮汐瓦解的直接證據。
圖1：左側兩列分别為研究中發現的部分強核矮星系和超緻密矮星系的光學圖像。右側為它們在室女星系團中心區域的空間分布，這些星系大多集中在巨橢圓星系M87周圍，表明星系團中心的緻密環境對它們的形成有着重要作用。
王凱翔表示：“室女星系團中超緻密矮星系的角直徑接近地面大型望遠鏡的分辨能力極限，其恒星暈和潮汐尾的面亮度比夜空要暗上百倍。是以，觀測超緻密矮星系及其周圍暗弱的結構對觀測資料的空間分辨率和曝光深度都有非常高的要求，後期的資料處理過程也需要足夠細緻。在該工作中，我們首次觀測到了超緻密矮星系形成的各個階段，就像時間切片一樣，刻畫了從普通矮星系到超緻密矮星系（甚至星團）的變身過程。
”論文的共同通訊作者，前北京大學實體學院天文學系博士後、現上海交通大學實體與天文學院劉成則副研究員介紹：“這個工作主要的研究對象是有暗弱恒星暈的超緻密矮星系，之前的工作對于這類特殊超緻密矮星系的研究大多局限于個體。這是首次基于完備樣本對這一類特殊的超緻密矮星系進行形态研究和面亮度輪廓分析，其結果具有統計學意義。
”有趣的是，研究團隊發現宇宙中最彌散的星系（超彌散星系UDG）和最緻密的星系（超緻密矮星系UCD）可能是同源的，都是由普通星系演化而來。超彌散星系可以是矮星系演化為超緻密矮星系過程中的一個中間階段。當星系中的大量暗物質首先被潮汐剝離時，星系内的恒星分布将變得比原先更為彌散。而當星系外圍恒星被逐漸剝離後，留下中心的核星團成為超緻密矮星系。該研究進一步完善了部分矮星系到超緻密矮星系的演化軌迹：普通有核矮星系→有核的超彌散星系/低面亮度星系→強核矮星系→有暗弱恒星暈的超緻密矮星系→超緻密矮星系。
圖2：觀測得到的從正常矮星系被瓦解形成超緻密矮星系的各階段示意圖，整個過程将持續約20-30億年。M87星系周圍的數百個超緻密矮星系中，可能有相當一部分來自于這種機制。制圖：王凱翔；背景圖源：NASA/R. Gendler。
另一位共同通訊作者，前北京大學實體學院天文學系長聘副教授、現美國光學-紅外天文實驗室（NOIRLab）天文學家Eric Peng（彭逸西）補充道：“研究超緻密矮星系的起源對于了解星系的形成和演化有着重要意義。此外，超緻密矮星系也是星系團考古研究的重要探針。室女星系團可能在過去20-30億年間經曆了一次比較大的并合事件，有數百個星系落入到了室女星系團中心星系M87附近。部分矮星系外圍的恒星暈在并合過程中被剝離，其中心緻密的星系核演化為超緻密矮星系。與此同時，被剝離掉的恒星彌散在M87周圍，成為星系團内光（intracluster light, ICL）的一部分。我們估計M87的外圍恒星暈中約有30%的恒星品質來自于這些并合的矮星系，這對于了解巨橢圓星系的并合成長曆史提供了重要參考。
”據了解，該研究團隊将繼續使用包括韋布空間望遠鏡（JWST）、哈勃空間望遠鏡在内的多台國際大型天文望遠鏡對超緻密矮星系進行後續觀測，期待揭曉更多與之相關的科學奧秘。