星系大不同 极端大小星系组成起源拼图板块
2020-09-18
科技日报记者 盛利
“不识庐山真面目，只缘身在此山中”，在我们生活的银河系中，地球只是一个颗毫不起眼的尘埃。对于普通人来说，银河系是大是小、周围“邻居”多不多、星系空间是否“拥堵”都与我们关系不大，但这些却深深地吸引着天文学家的目光，因为星系不同特性的背后，很可能蕴藏着其形成的线索。
事实上，星系与星系之间差别也很大，有的星系内部紧凑、有的星系松松垮垮，这些“奇怪”的星系是如何形成的？一直以来科学家都在寻找答案。9月10日，一篇发表在《天体物理学》杂志上的论文，或许能够帮助我们进一步揭示这些极端星系的成因。
迄今最大超致密矮星系样本
“超致密矮星系（UCDs）是一类2000年左右才被发现的天体。”该论文第一作者、上海交通大学物理与天文学院副研究员刘成则在接受科技日报记者采访时表示，超致密矮星系的质量和大小介于星团和矮星系之间，因其内部恒星系统极端致密而得名。超弥散星系（UDGs）则是星系里的一种极端——其内恒星系统松散，密度非常低。
和银河系这样的漩涡星系不同，受限于观测水平，这两类星系都很稀有，所以此前无论是超致密矮星系还是超弥散星系，样本量都非常少，这就给研究极端星系带来了客观的困难。
作为星系里的“少数派”，科学家又是如何判断它们的大小或密度呢？刘成则介绍道，如果星系处在相似的距离上，天文学上一般用星系的张角来判断星系的大小：星系的张角与其距离成反比，同一个星系，离我们越远，它的张角也就越小。如果星系处在不同的距离，则可以用简单的三角关系，计算星系的物理尺度来计算大小。
而星系的密度一般很难通过观测得到，天文学家通常用面亮度（surface brigtness），即单位面积上星系的亮度来判断星系的密度。面亮度越亮，星系的密度越高，反之则密度越低。
在此次研究中，研究人员利用下一代室女星系团巡天（NGVS）的数据，在室女星系团内寻找到600多个超致密矮星系，这也是迄今最大的超致密矮星系样本，同时也是第一个在星系团尺度上完备的超致密矮星系样本。
刘成则表示，大样本量具有两个优势，一是可以进行可靠的统计分析；二是有更大概率找到具有特殊性质的超致密矮星系，这对研究超致密矮星系的起源有着重要的意义。
极端大小来源于星系并合
与其他星系相比，这些在大小尺度上极端不同的星系还有哪些奇怪的特征吗？“每一类型的星系都有各自的特点。除密度外，超致密矮星系和超弥散星系的暗物质含量也与其他星系不同。”刘则成解释道，目前主流观点都认为星系处在暗物质晕中，但是超致密矮星系至今没有发现有暗物质的证据。而超弥散星系的情况更复杂，有些暗物质含量超高，比如有的超弥散星系大小和质量与银河系相当，但是其恒星质量总和却只有银河系的1%。也有一些超弥散星系没有观测到暗物质。
超致密矮星系确实有些与众不同。此前就有报道称，天文学家首次在超致密矮星系中心发现了质量2100万倍太阳质量的超大质量黑洞。最小星系却拥有超大质量黑洞，刷新了人们的认知。而在这次最新研究中，超致密矮星系中心的超大质量黑洞，很有可能是揭示其起源的线索之一。
一部分超致密矮星系的前身可能为质量更大的星系，这些星系的外层在并合过程中被剥离，剩下的星系核即为我们现在观测到的超致密矮星系。星系的并合过程与所处环境密切相关，环境密度越高，发生并合的概率越大，这也是超致密矮星系和超弥散星系多分布在致密环境的原因之一。
作为宇宙中已知最致密的星系，有些超致密矮星系的中心有超大质量黑洞，其质量甚至可占星系质量的15%；有些超致密矮星系被暗弱的恒星晕包围；少数超致密矮星系还保留有潮汐尾等星系并合期间产生的结构……“这些研究结果均表明超致密矮星系可能起源于质量更大的星系，这些星系的外层在并合过程中被剥离，剩下的星系核即为我们现在观测到的超致密矮星系。”刘成则解释道，星系的并合过程与所处环境密切相关，环境密度越高，发生并合的概率越大，这也是超致密矮星系和超弥散星系多分布在致密环境的原因之一，而研究人员在室女星系团内发现超致密矮星系和超弥散星系都倾向于集中在星系团核心等致密环境，也进一步印证了此观点。
刘成则表示，超致密矮星系的发现填补了星团和矮星系之间的空白。现今的星系形成和演化模型还不成熟，而超致密矮星系和超弥散星系作为其中的两块拼图，对完善星系形成和演化的整体框架有重要意义。
责任编辑：郭旭晖 龚丽华
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