WALLABY巡天首次发现HI气体超弥散星系对：揭示星系落入星系团前的关键演化阶段

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：WALLABY: an untargeted search for H i-bearing ultra-diffuse galaxies uncovers the first known ultra-diffuse galaxy pair

本研究通过WALLABY巡天的非定向搜索，首次发现了一对HI气体超弥散星系(UDG)组成的特殊系统。研究人员利用澳大利亚平方公里阵列探路者(ASKAP)的HI观测数据和Legacy Survey的光学数据，识别出10个符合严格UDG标准的核心样本和12个较宽松标准的扩展样本。特别值得关注的是，在长蛇座星系团外围发现了一对相距仅22千秒差距的UDG对，这是迄今确认的首个UDG对系统。该研究通过多波段测光分析和HI动力学建模，揭示了这对UDG的恒星质量、气体含量和恒星形成特性，为理解极端低表面亮度星系在落入星系团前的演化提供了关键观测证据。这项发表于《皇家天文学会月报》的研究，对认识星系在不同环境下的形成机制具有重要意义。

　　

在浩瀚的宇宙中，有一类特殊的天体长期躲避着天文学家的探测——超弥散星系(UDG)。这些星系虽然尺寸与银河系相当，但恒星分布极其稀疏，表面亮度比典型星系暗弱100倍以上，就像宇宙中的"幽灵星系"。自从2015年van Dokkum团队在后发座星系团中发现47个UDG以来，这类天体迅速成为星系天文学的研究热点。

传统的星系形成理论面临巨大挑战：这些体积庞大却几乎透明的星系是如何形成并演化的？更令人困惑的是，有些UDG富含中性氢气体(HI)，仍在活跃形成恒星，而另一些则完全缺乏气体，已经停止恒星形成。这种差异是否与环境有关？UDG在落入星系团的过程中会经历怎样的转变？这些问题一直困扰着天文学家。

利用澳大利亚平方公里阵列探路者(ASKAP)开展的WALLABY巡天项目，天文学家们进行了一项开创性研究。WALLABY是新一代HI全天巡天项目，具有前所未有的灵敏度和角分辨率，特别适合探测这类低表面亮度的弥散天体。研究团队通过系统分析WALLABY pilot巡天和已公开的完整巡天数据，在3532个HI探测源中展开了UDG的搜寻工作。

研究采用了多步骤的分析方法：首先利用SoFiA(源查找应用)软件自动识别HI信号，然后结合Legacy Survey DR10的深度光学图像进行光学对应体认证。对于每个候选体，团队使用AstroPHOT软件进行二维Sérsic模型拟合，精确测量星系的结构参数，包括有效半径(R_e)、轴比(q)和中心表面亮度(μ_0,g)。通过g-r颜色与质量-光度关系计算恒星质量，并利用GALEX紫外数据估算恒星形成率(SFR)。对于HI特性，研究团队分析了积分强度图(矩0)、速度场(矩1)和谱线轮廓，测量了HI质量、速度宽度等关键参数。

研究结果

首个UDG对的发现

最令人振奋的发现是在长蛇座星系团方向识别了一对UDG组成的系统WALLABY J104513-262755。虽然SoFiA最初将其识别为单个HI源，但高分辨率数据揭示这是两个独立的UDG：UDG-1(西北方向)和UDG-2(东南方向)。

光学性质

UDG-1的中心g波段表面亮度为24.2 mag arcsec^-2，有效半径2.8 kpc；UDG-2的表面亮度更暗(24.6 mag arcsec^-2)，有效半径2.2 kpc，均符合van Dokkum等人(2015)的UDG标准。值得注意的是，UDG-2的轴比仅为0.2，表明我们可能正在近乎侧向观察这个星系。如果对其进行倾角校正，其面向的中心表面亮度将暗至26.3 mag arcsec^-2，接近"暗星系"的阈值。

HI气体特性

UDG-1的HI质量(log₁₀(M_HI/M_⊙)=8.95)比UDG-2(log₁₀(M_HI/M_⊙)=8.60)高出约2倍。两个星系的速度差仅为34 km s^-1，投影距离22 kpc，符合并合星系对的标准。位置-速度图显示两个UDG都存在速度梯度，可能存在旋转，但需要更高分辨率数据确认。

恒星形成活动

UDG-1的恒星形成率(log₁₀(SFR/M_⊙yr^-1)=-1.26)比UDG-2(log₁₀(SFR/M_⊙yr^-1)=-2.10)高约一个数量级，这与它们恒星质量的差异一致。两个星系都显示出持续的恒星形成活动，没有明显的猝灭迹象。

环境特征

这对UDG位于长蛇座星系团外围约1.6个维里半径处，相空间分析表明它们正在向星系团内坠落。局部环境分析显示，在30角分(525 kpc)和±1000 km s^-1范围内没有其他星系，表明它们相对孤立。潮汐强度参数计算表明，UDG-1对UDG-2的潮汐作用强于反向作用，也强于长蛇座星系团对这对星系的影响。

与其他UDG种群的比较

研究还发现了另一个UDG-LSBG(低表面亮度星系)对WALLABY J032705-211110，说明这类成对系统可能不是孤立现象。与SMUDGes和ALFALFA巡天发现的HI-bearing UDG相比，WALLABY样本的UDG在恒星质量-HI质量关系上符合整体趋势，但恒星形成效率呈现多样化：有些与普通HI选择星系相似，有些则显著偏低。

讨论与意义

这项研究首次确认了UDG对的存在，为理解这类特殊天体的形成和演化提供了全新视角。UDG对的发现表明，星系相互作用可能是UDG形成的重要机制之一。早期并合可能暂时提升星系角动量，将恒星形成重新分布到星系外围，从而形成延展的恒星成分。

该系统的独特之处在于它捕捉到了UDG演化过程中的一个关键阶段：一对相对孤立的Gas-rich UDG正在向大质量星系团坠落。这为研究环境效应如何影响UDG的演化提供了理想实验室。在未来的数十亿年里，这对UDG可能先后经历相互并合和星系团环境的剥离作用，最终转变为在星系团中常见的Gas-poor UDG。

UDG-2的极端几何形态提醒我们，观测视角对UDG的探测和分类有重要影响。许多侧向的UDG可能因为表观表面亮度较高而被遗漏，而面向的UDG可能因为表面亮度太低而被归类为"暗星系"。未来的深度巡天项目如LSST(大型综合巡天望远镜)将能更完整地揭示这类天体的真实丰度。

从更广阔的视角看，这项研究凸显了HI观测在探测低表面亮度星系中的不可替代价值。光学上极其暗弱的星系可能在射电波段非常明亮，结合多波段观测才能全面理解宇宙中星系的完整种群。WALLABY等新一代HI巡天项目正在揭开低表面亮度宇宙的面纱，挑战我们对星系形成和演化的传统认知。

随着更多类似系统的发现，天文学家将能构建更完整的UDG演化图景：从孤立环境中的Gas-rich UDG，到星系团外围正在经历环境作用的系统，再到星系团内部完全猝灭的UDG。这对理解星系在不同环境下的生命周期具有重要意义，特别是对于检验冷暗物质宇宙学模型预测的星系形成机制。