科技日报记者 史诗
今年生日，王凯翔收获了一份很棒的礼物。11月9日，他作为第一作者和共同通讯作者的论文在科学期刊《自然》上发表。这篇论文详细记录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。
“这个工作的完成，在崇礼，在禾木，在海南，在波士顿，在霞慕尼，在青藏高原……即使面临各种各样的困难和挑战，流浪在世界各个角落，也总有星空宇宙作伴。”论文发表当天，北京大学物理学院天文学系天体物理专业博士生王凯翔在朋友圈写下这段话。
不清晰的起源
一直以来，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；星团则脱胎于星系内部的巨型分子云团块。
然而，宇宙中总有一些非同寻常的“极端星系”。距离银河系最近的室女星系团的星系样本里就包含了性质比较极端的星系，比如超致密矮星系和超弥散星系。
2000年左右，天文学家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。
超致密矮星系和超弥散星系让星系家族愈加丰富的同时，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具有重要意义。
“如果把各类大小形态各异的星系比作多彩的动物世界，超致密矮星系就是动物世界里的一类奇异珍稀动物。”让王凯翔疑惑的是，如果超致密矮星系是星系，它们为何如此致密？是否存在目前标准的宇宙学和星系形成模型解释不了的机制？就这样，借着博士生科研训练课题的契机，王凯翔开始了长达5年的研究。
此前，天文学家对超致密矮星系的起源也说法不一。一种观点是，超致密矮星系其实就是那些最亮的球状星团，可能来自于大质量的、相互并合的球状星团，或是在星系内部曾经的剧烈恒星形成过程中诞生。另一种观点是，一种名为“潮汐剥离”的机制可能是超致密矮星系形成的重要途径。潮汐剥离发生在星系之间的引力相互作用中，当一个矮星系处于另一个大星系的引力场内时，潮汐力会拉扯并逐渐剥离星系外围的恒星。这个过程导致原本规模较大的星系逐渐缩小，那些有核矮星系被潮汐剥离后留下的中心核星团就成了超致密矮星系。
“尽管越来越多的研究结果支持后者，但还没人‘看到’这个持续约20—30亿年的过程是怎么具体发生的。”王凯翔说，超致密矮星系是星系团考古研究的重要探针。
捕捉完整演化轨迹
超致密矮星系发现至今已20余年。“超致密矮星系数量少，大部分亮度较暗，半径很小，一直以来缺乏数量较大的样本进行系统性研究。”王凯翔说。
受现有观测能力的限制，天文学家开展对大量超致密矮星系的形态、亮度轮廓、恒星成分、中心黑洞等研究并非易事。
“下一代室女星系团巡天的数据质量非常高，覆盖了整个室女星系团天区，以团队刘成则副研究员为主的前期工作已经筛选出约600个超致密矮星系候选体，是目前为止最完备的超致密矮星系样本，为后续的详细研究奠定了基础。”王凯翔透露。
通过光谱证认以及全面细致的形态分析，王凯翔团队发现约有15%的超致密矮星系被暗弱的恒星晕所包围，考虑到地面观测的分辨率限制，实际占比应该更高。
存在暗弱恒星晕说明什么？
“这是超致密矮星系来自被潮汐剥离的矮星系的一个重要观测证据。”王凯翔解释说，星系从原来延展的形态，到被剥离留下中心的致密核成为超致密矮星系，这个过程是循序渐进的，不会一下子消失。找到这些呈现出暗弱恒星晕的超致密矮星系意味着发现了正在被剥离，但还没完全剥离干净的矮星系，也可以在一定程度上反映当前的超致密矮星系群体中，来自潮汐剥离以及来自大质量星团的比例各占多少。
此外，研究团队还筛选出另外数十个有着异常明显的核星团的矮星系（即强核矮星系）。它们与有恒星晕的超致密矮星系一样，都集中于M87星系这样的大星系周围，在空间分布上高度相关，轨道信息上偏向于近期落入星系团中心，恒星晕的颜色也比同等质量的矮星系要更红。这些观测证据都强有力地证明它们在同一条演化序列上，都来自那些近期（约10—20亿年）被剥离的更大质量的矮星系。
王凯翔透露，在若干强核矮星系和超致密矮星系周围还发现了一些极其暗弱的潮汐星流特征，这是正在发生潮汐剥离的直接证据。“这些强核矮星系很可能是从正常矮星系被剥离演化为超致密矮星系的一个前序阶段，因为外围恒星逐渐被剥离，从而显得中心核非常明亮而突出”。
此外，研究团队还发现宇宙中超弥散星系和超致密矮星系可能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。
“这次，我们使用了包括3.6米加拿大—法国—夏威夷望远镜、8.1米北双子望远镜、哈勃空间望远镜在内的一些全球顶级的大型望远镜开展观测。”王凯翔透露，未来还将使用韦布空间望远镜等多台国际大型天文望远镜对超致密矮星系进行后续观测，期待揭晓更多科学奥秘。
