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110亿年前,一个巨大星系曾撞上银河系,彻底改变了银河系

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科学宇航员 2021-04-21 09:09

根据科学家的观测,大约在30-40亿年后,距离我们254万光年的仙女座大星系将会撞上银河系,本星系团两个最大的星系将会上演宇宙中轰轰烈烈的天地大碰撞。

实际上,星系碰撞是宇宙中很常见的事情,人类迄今为止已经在宇宙中拍摄到了许多正在碰撞、合并的星系。即使是我们的银河系,在今天以前一百多亿年的岁月里,也已经发生过多次碰撞了。这些碰撞包括对很小的卫星星系的吞并,也包括巨大星系的合并。在不断地碰撞之后,银河系才演化成了今天这样。

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目前,科学家已经对历史上发生过的一些严重碰撞有过一些了解,比如:

盖亚-恩克拉多斯星系(又被称为盖亚-恩克拉多斯香肠),在大约90亿年前撞击银河系;

海尔米星流,是银河系内的一个星流,来自于大约100亿年前的一次星系碰撞;

红杉星系,是一个矮星系,在大约90亿年前被银河系吞并;

人马座矮椭球星系:直径约为10000光年,是银河系的卫星星系之一,在最近几十亿年的时间里已经多次穿越银河系,最终将被银河系吞并。

而在这些碰撞事件更早以前的110亿年前,银河系还发生过一次剧烈的碰撞。那一次碰撞彻底改变了银河系的形状和演化进程,对后来的银河系发展产生了巨大的影响,这个撞击银河系的星系,被称为克拉肯星系。

虽然科学家们已经推测出了多次星系碰撞事件,但这并不意味着我们已经取得了多么重大的突破。想要拼出一幅完整的银河系碰撞拼图,对于科学家们来说仍然是一件非常辛苦的事。

单单是发现这些发生于几十亿甚至一百亿年前的事件,就已经不容易了。科学家之所以推测出这样一次碰撞事件,是银河系中的球状星团给出了证据。

球状星团恒星密度非常高,通常包含着10万甚至100万颗最古老的恒星,它们有一些甚至比宇宙的年龄小不了多少,记录着最早期宇宙和星系的秘密。而且,这些恒星普遍都是形成于同一个时期,来自于相同的原始星云和形成机制,非常统一。因此,科学家们通过这些球状星团的化学组成,就可以推测出它们的起源以及相关事件。

同时,通过对银河系内大约150个球状星团的运行模式和形状的分析,也能够帮助科学家还原当时的过程。如今,有些星团已经被撕裂成了长长的星流,这样的演化结果也是科学家关注的重点之一。

德国海德堡大学的天文学家J M Diederik Kruijssen和他的团队就是通过这些信息,构建了迄今为止最完整的银河系碰撞年谱。为了完成这项研究,他们还借助了人工神经网络进行模拟,还原了球状星团从形成到演化再到毁灭的完整演化周期。

Kruijssen介绍说:“将球状星团的特征与其宿主星系的合并历史联系在一起的主要挑战之一,就在于星系的合并是一个极其复杂的过程,在这个过程中,球状星团的轨道要经历彻底的洗牌。我们对算法进行了数万次的模拟测试,并且只用了这些星系的球状星团群,结果发现它对模拟星系之间的碰撞竟然重建得如此精确,这太令人震惊了。”

如果模拟算法是一个骨架,那么观测数据就是血和肉,二者的结合才能让模拟过程活起来。得益于欧洲航天局盖亚卫星多年以来在银河系地图绘制方面的卓越贡献,Kruijssen等人获得了大量空间、时间的高精度细节信息。正是通过这些数据,科学家们能够对银河系大量天体的位置和运行数据有所把握,最终促进了大量惊人的银河系新发现。

在本次研究中,他们根据球状星团的运动特征来给它们进行分类,因为相似的轨道很有可能意味着相同的来源,亦即来自于同一次星系碰撞。

当他们代入数据开始模拟后,令人惊讶的结果出现了:模拟结果竟然和五次星系碰撞事件高度吻合!

更加令人意外的,是这次研究刷新了研究人员的一些认知,那就是克拉肯星系的碰撞远比想象中要更加重要。

Kruijssen指出:“与克拉肯星系的碰撞一定是银河系历史上最重要的一次合并,此前人们一直认为发生在大约90亿年前的盖亚-恩克拉多斯香肠星系的碰撞是最严重的一次碰撞。不过,在110亿年前克拉肯星系带来了一次碰撞,那时候银河系的质量只有今天的四分之一。最终,与克拉肯星系的碰撞必然彻底改变了银河系当时的形状。”

此外,通过整个模拟过程得到的信息,Kruijssen和他的团队建立了一份完整的星系碰撞年谱,在最大程度上还原了银河系经历过的那些星系碰撞事件。在60亿-110亿年前的这段时间里,银河系一共5次与含有超过1亿颗恒星的星系发生碰撞。而超过1000万颗恒星的相对较小的星系,与银河系发生了共计15次合并事件。

最终,银河系逐渐演化成了今天这个模样,并且仍然在迎来新的碰撞。每一次的碰撞,都不会像大家想象的那样出现恒星之间的碰撞,而只会给银河系带来巨大的转变、增加了银河系的规模,或许也和我们太阳系息息相关。

在未来,作为银河系卫星星系的大小麦哲伦星云也很可能会被银河系吞并,然后我们银河系还会与仙女座大星系碰撞,形成一个更加巨大的椭圆星系。在这个过程中,到底会发生什么事,没有人知道。因此,科学家们也希望通过对过去的碰撞事件进行更多的研究,来预测可能发生的未来。

这也是Kruijssen接下来的打算:“目前得到确认的原星系碎片一共有5个,通过现有和即将到来的望远镜,其他所有碎片或许也将重见天日。”

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