矮星系(一种小型星系)

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矮星系（英文：Dwarf Galaxies）是一种小型星系，可能包含1000颗至数十亿颗恒星不等。它们不像大质量星系能维持漩涡密度波并与伴星系相互作用，引发恒星形成爆发。多数矮星系较为单调，被喻为“平民星系”。

矮星系的形状不固定，有些呈圆形，有些则呈不规则形状。从数量上看，它比普通亮度的星系（旋涡星系、椭圆星系等）多很多。在早期宇宙中，暗物质密度的波动可能形成了引力势阱，气体在此聚集并开始形成恒星，从而导致矮星系的诞生。矮星系经历的演化过程可能显著改变其外观和组成。与大型星系的相互作用可能剥离它们的气体和恒星，这种现象被称为潮汐剥离，导致矮不规则星系转变为矮球状星系。矮星系观测方法多样，包括综合光测量法、星计数法，还可利用射电望远镜观测中性氢等气体了解相关特征。矮星系的典型代表有大麦哲伦星系、狮子座A、图卡纳二号、仙女座四世等。

矮星系虽天体规模相对较小，但在宇宙演化中扮演关键角色。虽然体积小，矮星系可能富含暗物质，有些星系的暗物质占其总质量的比例高达99%。这使它们成为研究这种神秘物质的宝贵实验室。同时，其超高的密度在宇宙进化的电脑模拟图中得以显现，在古老星系中的实际数量或许远超天文学家预期。尽管矮星系可能并非宇宙研究的最重要对象，但后续仍需对其展开深入研究与探索。

矮星系的发现不能归功于单一个体，因为这一过程涉及了多位天文学家长时间以来的观测与研究。然而，“矮星系”这一术语以及对这些较小星系的分类始于20世纪中叶。

发现

早期发现

矮星系的发现不能归功于单一个体，因为这一过程涉及了多位天文学家长时间以来的观测与研究。然而，“矮星系”这一术语以及对这些较小星系的分类始于20世纪中叶。在理解矮星系方面，一项重要的早期贡献来自爱德文·哈勃（Edwin Hubble）在20世纪20年代的工作。他在星系分类方面发挥了关键作用，并为后来的研究奠定了基础。哈勃空间望远镜关于星系形态学的研究包括了对各种类型星系的观测，尽管他并未像人们理解的那样专门划分出矮星系这一类别。

将矮星系确立为一个独特类别，其进程在20世纪70至80年代加速，当时天文学家开始发现并编录这些较小的星系，特别是在包含银河系的本星系群中。这一时期的重要发现包括认识到麦哲伦云（大麦哲伦云和小麦哲伦星系）属于不规则矮星系。20世纪后期，观测技术的进步，例如性能更优的望远镜以及对夜空的系统性中国空间站工程巡天望远镜，导致发现了众多先前未被注意到的额外矮星系，特别是那些因其低光度而难以察觉的暗淡而弥散的矮星系。像亚伦·P·H·M·范登伯格等天文学家在识别和分类这些星系方面发挥了关键作用。

总而言之，虽然矮星系发现的基础是由爱德文·哈勃等20世纪初期的天文学家奠定的，但矮星系的分类和理解是通过多位天文学家数十年来的工作，尤其是在20世纪下半叶，才得以显著发展。

重大突破

2005年，在斯隆数字巡天（Sloan Digital Sky Survey）中，超微弱矮星系的发现是矮星系研究的一个重要里程碑。这些超微弱矮星系（L<10⁵L_sun）代表了星系光度函数的极端下限，它们是已知最古老、最暗物质主导、最贫金属且化学演化程度最低的恒星系统，为研究首批星系的形成以及小尺度上暗物质的行为提供了独特窗口。

持续发现

随着观测技术的不断进步，新的矮星系不断被发现。例如，研究人员通过对哈勃空间望远镜（HST）档案观测帧的分析，在狮子座A 星系中发现了新的星团，这意味着对该矮星系的结构和恒星组成有了更深入的认识。这也从侧面反映出对矮星系的研究在不断细化和深入。

矮星系是宇宙中已知的最小星系，与中等级别的银河系包含数千亿颗恒星相比，它们最小的只有数千颗恒星，因而极其暗淡。截止2015年，科学家发现了超过20个围绕银河系运转的矮星系，但其中约一半是在2005年和2006年观测到的，此后只有零星发现。

形成

矮星系的形成是天文学家积极研究和争论的主题。根据主流理论，这些微小星系要么通过形成大型星系的层级合并过程形成，要么作为未能聚合成更大结构的原始构建块而存在。在早期宇宙中，暗物质密度的波动可能形成了引力势阱，气体在此聚集并开始形成恒星，从而导致矮星系的诞生。

矮星系经历的演化过程可能显著改变其外观和组成。与大型星系的相互作用可能剥离它们的气体和恒星，这种现象被称为潮汐剥离，导致矮不规则星系转变为矮球状星系。尽管体积小，矮星系可能富含暗物质，有些星系的暗物质占其总质量的比例高达99%。这使它们成为研究这种神秘物质的宝贵实验室。

构成

恒星

恒星数量与质量范围：矮星系通常包含几千到几十亿颗恒星。不同类型的矮星系，恒星数量差异较大。例如，超暗矮星系恒星数量相对较少，可能仅有数千颗；而一些较大的矮星系，恒星数量可达几十亿颗。在质量方面，矮星系中的恒星质量范围与其他星系类似，从质量较小的红矮星到质量较大的大质量恒星都有分布。但总体而言，由于矮星系的低光度和小尺度特性，其中低质量恒星的占比较高。

恒星形成历史：矮星系的恒星形成历史较为复杂。部分矮星系经历了长时间断断续续的恒星形成过程，而有些则在特定的时间段内集中形成恒星。例如，一些矮星系可能在早期宇宙中经历了一次剧烈的恒星形成爆发，之后恒星形成活动逐渐减弱。恒星形成历史受多种因素影响，如气体的供应、星系间的相互作用等。在一些受到潮汐作用或与其他星系发生相互作用的矮星系中，恒星形成活动可能会被触发或抑制。

恒星化学组成：矮星系中恒星的化学组成可以反映其演化历史。许多矮星系中的恒星具有较低的金属丰度，这表明它们在早期宇宙中形成时，星际介质中的重元素含量较少。对矮星系中恒星化学丰度模式的研究发现，一些元素的丰度比例与银河系中的恒星有所不同。例如，矮星系中恒星的化学丰度模式可能需要两种r-过程元素的来源，其中一种可能归因于中子星合并，这对理解元素的起源和星系的化学演化具有重要意义。

气体

中性氢（HI）：中性氢是矮星系中重要的气体成分，星系的HI含量是研究星系演化的重要参数。通过对矮星系中性氢的观测发现，不同环境下矮星系的HI含量存在差异。在星系团等高密度区域，由于受到多种气体去除机制的影响，如合并和潮汐间的相互作用、冲压剥离等，富气体晚型矮星系的气体可能会随着时间推移被去除，导致HI含量降低。而在一些距离主星系较远的卫星矮星系中，可能会探测到较多的HI气体。例如，大多数距离银河系或M31超过270kpc的卫星星系都探测到了HI气体，而在这个距离内的大多数卫星星系没有探测到HI气体。通过对矮星系中性氢的研究，可以探讨星系演化，以及暗物质的性质等问题。

其他气体成分：除了中性氢，矮星系中还可能包含少量的分子氢（H₂）以及一些重元素组成的气体，如一氧化碳（CO）等。分子氢是恒星形成的重要原料，其在矮星系中的分布和含量与恒星形成活动密切相关。然而，相比于大型星系，矮星系中分子氢的含量通常较低，这也限制了其恒星形成的速率。通过对一氧化碳等气体的观测，可以间接推断分子氢的分布和含量，从而进一步了解矮星系中恒星形成的条件和过程。

尘埃

尘埃在矮星系中虽然含量相对较少，但对星系的物理过程和观测特性具有重要影响。尘埃主要由碳、硅等元素组成，它可以吸收和散射恒星发出的光线，影响星系的光度和颜色。在一些恒星形成活动较为活跃的矮星系中，尘埃的含量可能相对较高，这是因为恒星形成过程中会产生尘埃。尘埃还可以在星际介质中起到冷却作用，促进气体的凝聚和恒星的形成。通过对矮星系尘埃的观测和研究，可以了解星系的恒星形成历史、星际介质的物理性质以及星系的演化过程。

暗物质

暗物质是矮星系的重要组成部分，对矮星系的结构和演化起着关键作用。许多矮星系表现出较高的暗物质与可见物质比例，尤其是超暗矮星系，它们被认为是最古老、最暗物质主导的恒星系统。暗物质通过引力作用影响矮星系中恒星和气体的运动，维持星系的结构稳定。研究表明，矮星系的恒星速度弥散在大多数情况下对双星和前景污染等系统误差具有较强的鲁棒性，这也从侧面反映了暗物质在维持矮星系动力学平衡中的重要作用。对矮星系中暗物质的研究有助于深入理解暗物质的性质和行为，以及其在星系演化中的作用机制。

观测方法

综合光测量法

通过探索有限的表面亮度-空间分辨率（μeff，lim-θ）参数空间，综合光测量法可以非常有效地检测到局部体积中3-10Mpc之间的微弱场矮星系。这种方法利用本地群中的矮星系样本，构造光度和结构参数（如M∗–μeff，V和M∗–Reff）之间的关系，进而计算局部体积中可检测到的最低恒星质量以及预期星系数量。对于距离>3Mpc的星系，检测到的星系数量主要取决于极限表面亮度；而对于距离>8Mpc的星系，空间分辨率开始发挥作用。

星计数法

经典的星计数法是通过对星系中的恒星进行逐一计数来研究星系的特性。在矮星系的发现中，星计数法可以帮助确定星系的恒星数量、分布等信息，从而识别出矮星系。不过，这种方法相对较为耗时，且对于一些遥远或恒星分布较为复杂的矮星系可能存在一定局限性。

其他方法

利用射电望远镜对矮星系中的中性氢等气体进行观测，了解其气体含量、运动学特征等，也有助于发现矮星系。例如，基于澳大利亚望远镜紧凑阵列（ATCA）进行的“本地体积HI中国空间站工程巡天望远镜”（LVHIS），对附近矮星系（D<10Mpc）的气体含量、运动学和恒星形成进行了研究，样本涵盖近100个星系，包括新发现的星系，这些研究为矮星系的发现和研究提供了重要信息。

典型代表

大麦哲伦云

大麦哲伦星云（LMC）是距地球约16.17万光年的矮不规则星系，其位于南半球山案座与剑鱼座，肉眼可见。它曾被认为是银河系卫星星系，经证实是首次靠近银河系的“过客”，与小麦哲伦星系（SMC）通过引力相互作用形成气体流和桥。其直径约3.25万光年，质量为银河系10%-20%，含60个球状星团、700个疏散星团及著名的狼蛛科星云。1987年爆发了迄今肉眼可见的最后一颗超新星。研究显示，麦哲伦星系的恒星形成和气体结构或源于自身相互作用，这种双星系近距离靠近大星系的组合极为罕见。

狮子座A

狮子座A是一个孤立的气体丰富的矮星不规则星系，处于恒星集团郊区，其恒星质量和金属含量较低。该星系的恒星种群年龄跨度较大，从约1000万年到约100亿年不等。通过斯巴鲁红色巨星分支恒星的广角光度法，发现了一个巨大的恒星晕，其投影距离可达约1.7千秒差距。对狮子座A星系外围的研究分析了哈勃空间望远镜WFC3档案观测数据，对F475W和F814W通带中的星状物体进行测光，并研究了水平分支以下恒星的空间分布。研究结果报道了在该星系中发现恒星光晕种群（次生物和暗淡的红色巨人），距离银心的投影距离高达约2.3千秒差距，同时色度图分析表明，年龄大于50亿年的旧恒星群体金属性极低，约为Z=0.0001。

图卡纳二号（Tucana II）

图卡纳二号是环绕银河系的超暗矮星系，距地球约16.3万光年，恒星质量仅约3000倍太阳质量，但其暗物质晕达1000万倍太阳质量，远超此前估计。其恒星金属丰度极低，显示为古老星系。研究发现，该星系外围恒星金属丰度比中心低三倍，暗示可能由两个星系合并形成，外围恒星或来自被吞噬的原始小星系。这是首次在古老星系中观测到此类化学差异，为星系合并提供了线索。此发现表明早期星系的暗物质晕可能比想象中大得多，超暗矮星系或成为研究暗物质及星系演化的关键样本。

仙女座四世

仙女座IV是位于仙女座的不规则星系。1972年由范登伯格发现。其距离存在争议，早期认为可能是仙女座星系（M31）盘内的恒星云或外围疏散星团，因恒星种群年轻且参与M31旋转。哈勃空间望远镜后续研究显示，其更可能是背景矮不规则星系，距离估计在5-8百万秒差距（1600万-2600万光年），远超本星系群，可能与NGC 784等星系组成松散群。其视向速度256公里/秒，表面亮度中等，类似本星系群的IC 1613等矮星系，但观测极限下仅能捕捉到模糊影像，分类及属性仍需更多研究确认。

学术研究

矮星系“失踪”之谜

2013年2月，科学家对宇宙中神秘的“矮星系”之谜进行探索，天文学家小组已经确定了“宇宙网剥离”可能是矮星系失踪现象的一种解释，在现代天文观测中，对矮星系失踪的探索与宇宙形成的冷暗物质模型存在关联，其中隐藏着关于宇宙起源的奥秘。过去的两年间，科学家通过高精度的观测绘制出宇宙的“地图”，进一步确认了占据75%的暗能量，20%的暗物质，而普通物质仅占5%，庞大的星系等“可见”物质分布与巨大的“宇宙网”中。

通过超级计算机的实验表明，宇宙应该存在大量的矮星系，其质量仅为银河系质量的千分之一左右。在银河系周围的空间中，科学家仅发现了少量的矮星系，对宇宙中矮星系“失踪”现象的观测已经成为一个重大的挑战，其有助于人们理解星系的形成过程。国际天文学家小组通过模拟观测位置和星系速度来创建银河系周围空间物质分布模型，其范围被限定在以银心，半径为数千万光年之内的宇宙空间。莱布尼兹研究所科学家斯特凡·戈特勒贝尔认为这一项目的主要目标是模拟本地星系群空间环境，对象为仙女座大星系、银河系以及周围的卫星星系。

科学家发现“宇宙网”可在一定程度上剥离快速穿过的矮星系气体，并模拟出可视化的图像效果，即当矮星系在本地星系群中国移动通信集团时，大部分的组成气体可以被剥离。因此，科学家们将其称为“宇宙网剥离”效应，消耗了矮星系中的气体等物质。对于矮星系“失踪”之谜，研究人员认为它们可能非常小，当前的探测手段可能很难观测到它们。该项研究发表在2013年2月份的《天体物理学快报》上。

暗物质晕“年龄”塑造矮星系空间分布

2025年5月21日，中国科学技术大学王慧元教授研究团队首次在观测中发现弥散矮星系超强的成团性，证实了宇宙中神秘的“暗物质晕集聚偏置（halo assembly bias）”现象。这项研究为理解暗物质本质、宇宙大尺度结构与星系协同演化提供了重要线索。北京时间5月21日，该项成果正式发表在国际学术期刊《自然》。

暗物质是一种看不见、不发光的神秘物质，它通过引力悄然塑造着宇宙的结构，主导着星系的形成与演化。暗物质粒子在引力作用下聚集，形成暗物质晕（暗晕），星系在暗晕的引力势阱中形成并演化。暗晕在宇宙大尺度上的分布并不均匀，而是呈现“抱团”分布。这种“抱团”性不仅与质量相关，也在固定质量下与形成时间、内部结构等多重变量呈现统计相关性。这种现象被称为暗晕集聚偏置，它为人们理解宇宙大尺度结构及星系的形成提供了关键线索。

研究团队分析斯隆数字巡天项目（SDSS）光学数据时，有了超乎预期的发现。当他们将目光聚焦在矮星系——这类质量小、光度低、通常由暗物质主导的星系群体上时，发现弥散的矮星系更喜欢“抱团”（成团性较高），而致密矮星系更喜欢“单干”（成团性较低）。“这与以往根据大质量星系样本所得的经验完全相反，通常面密度越高的星系更喜欢聚集在一起。”王慧元团队很快意识到，这可能是一个非常罕见和珍贵的发现。

尽管宇宙结构形成理论早已预言了“暗晕集聚偏置”现象的存在，但长期以来并未从观测中发现确凿的证据支持。此次研究团队的发现，首次为这一预言提供了高置信度的观测支持。王慧元团队还独立发展了一种宇宙学模拟方法——ELUCID数值模拟重构技术，能够精确再现真实宇宙中暗晕分布及其演化历史。利用该技术，他们进一步解释了上述现象。研究发现，年老的暗晕在宇宙中的空间分布与弥散矮星系类似，也更喜欢“抱团”。这表明，矮星系的形成与暗晕的“年龄”之间有着紧密联系。

科研价值

研究意义

望远镜技术的最新进展迎来了矮星系研究的黄金时代。天文学家使用哈勃空间望远镜和阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）等仪器观测这些微小星系，揭示它们的奥秘。研究矮星系使科学家能够检验宇宙结构形成理论，了解暗物质的性质，并深入了解推动星系演化的过程。尽管体积不大，矮星系在宇宙图景中扮演着关键角色，为解开宇宙的深层奥秘提供了线索。

挑战机遇

研究矮星系并非没有挑战。它们的低亮度和小尺寸使其难以探测，尤其是在远距离观测时。此外，区分属于矮星系的恒星和银河系前景中的恒星可能是一项艰巨的任务。然而，这些挑战也为天文学家带来了独特的机遇。更灵敏、更高分辨率的望远镜的不断发展，有望发现更多矮星系，从而更清晰、更全面地了解这些天体。

天文贡献

矮星系对人类理解宇宙学和天体物理学做出了重大贡献。它们是研究与银河系环境截然不同的恒星形成过程的理想场所。此外，它们的暗物质主导性为解释宇宙这一神秘组成部分的理论模型提供了独特的试验场。通过研究矮星系，科学家可以更好地理解支配宇宙的规律和物质本身的性质。

未来展望

矮星系研究的未来充满希望，开展的太空任务和地面观测站有望将人类对其的理解提升到新的高度。詹姆斯·韦伯空间望远镜太空望远镜（JWST）和大型综合中国空间站工程巡天望远镜望远镜（LSST）等项目通过提供更深入、更详细的观测，彻底改变人类对矮星系的认识。这些进展将使天文学家能够更准确地追溯这些星系的历史，从它们在早期宇宙中的形成到现在的状态，并解开暗物质和星系演化的奥秘。