球状星团与类球状星团矮星系的涌现：揭示宇宙早期致密恒星系统形成之谜

本研究通过高精度宇宙学模拟EDGE，首次在标准宇宙学模型下同时再现了无暗物质球状星团（GCs）与暗物质丰富矮星系的自然形成过程，并发现了一类新型天体——类球状星团矮星系（GCDs）。该研究解决了GCs与矮星系同期形成机制、参数空间重叠区域天体性质等长期难题，为宇宙早期恒星系统形成、暗物质分布及第一代恒星探测提供了全新理论框架和观测指引。

在浩瀚宇宙中，球状星团（Globular Clusters, GCs）犹如亘古不变的明珠，自1665年被Abraham Ihle首次发现以来，其形成机制始终是未解之谜。这些由数十万至百万恒星组成、半径仅1-10秒差距的致密系统，是宇宙中最古老的天体之一，不仅是引力波的重要源头，更可能孕育着超大质量黑洞的种子。然而，与同样形成于宇宙早期的矮星系（Dwarf Galaxies）相比，GCs缺乏暗物质、年龄与金属丰度分布范围极窄，二者在大小-光度平面上占据截然不同的区域。这种差异引出了两个核心问题：为何宇宙能在同一时期形成两种截然不同的恒星系统？介于二者参数空间重叠区的天体究竟属于何种类型？

传统理论试图从三个方向解释GCs的形成：大质量星团形成分布的极端尾端、特殊环境（如星系合并、高密度气体流、低金属丰度气体或盘不稳定性）的产物，或是形成于自身暗物质晕中。但单一理论均无法完全解释观测特征，暗示其形成可能涉及多重机制。与此同时，矮星系虽与GCs恒星质量相近（10^3-7 M_⊙），但尺寸更大（半光半径R_1/2≈10-1,000 pc）、暗物质丰富、具有延展的恒星形成历史及广泛的金属丰度分布。二者间的明显鸿沟使得中间型天体的性质与起源成为关键难题。

为回答这些问题，由Ethan D. Taylor领衔的国际研究团队在《自然》杂志发表了最新成果。他们通过一套名为“星系形成边缘的工程矮星”（EDGE）的宇宙学模拟套件，以高达3 pc的空间分辨率，在标准宇宙学框架下成功再现了从无暗物质GCs到暗物质丰富矮星系的完整形成过程，并首次预言了一类新型天体——类球状星团矮星系（Globular-Cluster-like Dwarfs, GCDs）。该模拟首次实现了对单个超新星反馈作用于星际介质的精细刻画，并利用新型结构搜寻算法（结合空间、速度与年龄聚类）可靠提取出存活至今日的束缚恒星系统。

研究团队运用了以下关键技术方法：1）采用RAMSES自适应网格细化代码进行宇宙学流体动力学模拟，基础空间分辨率达3 pc，暗物质粒子质量分辨率达945 M_⊙（标准）或117 M_⊙（高分辨率）；2）通过“遗传修改”（Genetic Modification）技术控制初始条件，在保持现今质量与环境不变前提下研究不同质量吸积历史的影响；3）整合HDBScan层次密度聚类算法与Amiga Halo Finder（AHF）晕搜寻器，实现多维度结构识别；4）基于Padova恒星演化库进行星族合成，计算V与I波段光度；5）利用Local Volume数据库整合观测数据进行比较验证。模拟样本包含15个EDGE星系，暗物质晕质量范围10⁷–10¹⁰ M_⊙，涵盖中央星系与潮汐孤立卫星。

模拟揭示三类天体的观测特性分化

EDGE模拟自然涌现出三类天体：GCs（绿色边框三角）、矮星系（红色边框三角）与GCDs（蓝色边框三角）。GCs具有R_1/2<10 pc、光度-7<>_V<-3、金属丰度-2<[Fe/H]<-1.5、动力学质量比Y≈1、年龄展宽Δ_Age<10 Myr及金属展宽σ_[Fe/H]<0.2 dex等特征，与邻近宇宙真实GCs一致；矮星系则呈现R_1/2>40 pc、高Y值（>50–100）、显著的质量-金属丰度关系及宽年龄/金属分布；GCDs作为中间型天体，尺寸R_1/2≈10–60 pc、金属丰度[Fe/H]<-2.75、Y≈50、Δ_Age≈10–20 Myr、σ_[Fe/H]≈0.1–0.3 dex，其性质完美填补了GCs与矮星系间的参数空隙。

球状星团形成的双路径机制

GCs通过两种途径形成：“规则恒星形成”（诞生半径r_birth/R?_1/2<4，占半数）与“触发恒星形成”（合并驱动，r_birth/R?_1/2>100）。所有GCs形成于预增丰气体，金属丰度较同光度矮星系高约1 dex。缺乏暗物质保护使其仅凭恒星风或单次超新星反馈即自我淬灭，导致窄年龄与金属分布。模拟中仅5个GCs存活至今，其中4个形成于最高质量矮星系（M₂₀₀≈10¹⁰ M_⊙），且多数诞生于宿主星系外围低密度环境，利于潮汐幸存。

类球状星团矮星系的起源与特征

GCDs形成于再电离前最低质量恒星形成晕（M₂₀₀≈10^6.8–7.1 M_⊙，z=5–10，峰值v_max≈7.2–9.3 km s^?1），处于气体冷却形成恒星的密度阈值边界：更低密度晕无恒星形成，更高密度晕则触发持续恒星形成成为矮星系。半数GCDs由邻近恒星系统金属污染触发恒星形成，无金属自由恒星；另一半从原始气体自冷却形成，金属自由恒星比例高达20%。其暗物质晕允许多次超新星反馈才完全淬灭恒星形成，导致年龄与金属展宽大于GCs（10–20 Myr），且年龄较超 faint矮星系更古老。

观测候选与科学意义

研究指出银河系内Reticulum II等矮星系可能属于GCDs：其古老星族、独特化学特征（72⁺¹⁰_?12%恒星具r-过程元素增强）符合第一代恒星污染预期。若获证实，这些天体将成为探测金属自由恒星、约束暗物质模型的理想场所。此外，GCDs的预测为LIGO/Virgo引力波源、超大质量黑洞种子形成等研究提供了新视角。

该研究通过EDGE模拟统一解释了GCs与矮星系的形成 dichotomy，并预言GCDs这一新天体类别，突破了传统分类框架。其双路径GC形成机制融合了多种理论模型，而GCDs的发现不仅填补了参数空间空白，更将宇宙最早恒星的形成、暗物质晕结构与反馈过程紧密相连。未来通过JWST、ELT等新一代望远镜对GCDs候选体的光谱验证，有望直接探测到宇宙第一代恒星遗迹，为恒星形成初始质量函数、再电离反馈效率及暗物质粒子性质提供前所未有的约束。