矮星系

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。

分类

按形态结构

矮椭圆星系

这类矮星系呈现出椭圆的形状，其 恒星 分布较为均匀，没有明显的 旋臂 结构。它们的 恒星形成 活动相对较弱，内部恒星大多是年龄较老的恒星。例如，在对一些 星系团 的研究中，发现了许多矮椭圆星系，它们可能是在星系相互作用或并合过程中逐渐形成的。其形态特征可能是由于在并合过程中， 恒星 的轨道被打乱，最终形成了较为均匀的椭圆分布。

矮不规则星系

形状不规则，没有明显的对称性。这类 星系 内通常有丰富的气体和尘埃，为恒星形成提供了物质基础，因此恒星形成活动较为活跃。像 狮子座A 就是一个典型的矮不规则星系，它位于 恒星 集团郊区， 恒星质量 和金属含量较低，但有着不同年龄的恒星 种群 ，年龄范围从约100万年到约100亿年，且在其中发现了多个 星团 。

矮球状星系

外观近似球状，恒星分布较为集中。矮球状星系的 恒星形成 活动很弱，气体含量极少，主要由古老的恒星组成。例如 杜鹃座 矮球状星系，对其内部运动学和金属性的研究有助于了解这类星系的演化特性。有研究发现某些矮球状 星系 具有较高的速度弥散，这与它们的质量和 动力学 特性相关。

按所处环境

卫星矮星系

指围绕着大型星系运行的矮星系，如同卫星环绕 行星 一般。它们受到主星系 引力 的影响，其演化过程与主星系密切相关。例如银河系就有众多卫星矮星系，这些卫星矮星系的存在对于研究银河系的引力场、物质分布以及 星系演化 具有重要意义。通过对卫星矮星系的轨道、质量等参数的研究，可以进一步了解银河系的 暗物质 分布情况，因为暗物质的引力作用对卫星矮星系的运动有显著影响。

孤立矮星系

处于相对孤立的宇宙环境中，较少受到其他大型 星系 的引力干扰或相互作用。这类矮星系能够更纯粹地反映出星系自身的演化特性，对于研究星系形成的初始条件和内在演化机制具有独特价值。例如，对一些孤立的本地群矮星系的研究发现，它们在 恒星形成 历史、 化学 丰度等方面可能具有与非孤立矮星系不同的特点，有助于了解星系在不受外界干扰情况下的演化路径。

按物质组成性质

气体主导的矮星系

这类矮星系中气体的含量相对较高，在星系的演化和恒星形成过程中，气体起着关键作用。例如一些蓝色致密矮星系（BCD），如VCC848，是由矮-矮星系合并形成，在剧烈碰撞后仍以（原子）气体为主导，其中心为蓝色致密区域，周围有延展的原子气体分布。这类 星系 的恒星形成活动往往与气体的分布和运动密切相关，通过对其气体成分和运动的研究，可以深入了解恒星形成的触发机制和星系的演化过程。

无尘埃矮星系

一般星系通常包含 恒星 、气体、 行星 以及尘埃，但存在一些几乎不含尘埃的矮星系，如位于 鲸鱼座 的不规则矮星系 IC 1613 ，距 地球 230万光年，属于 本星系群 ，是银河系的邻居之一。无尘埃矮星系的形成机制可能与其他星系不同，研究它们有助于了解星系物质组成的多样性以及尘埃在 星系演化 中的作用。

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。