仙女座星系是距离银河系最近的一个大星系,它的直径达到22万光年,比银河系还要大一圈,距离银河系约254万光年。根据天文学家的观测结果,发现仙女座星系正在以极高的速度,向银河系靠拢,大约在50亿年后,也就是我们所处太阳系的绝对核心-太阳膨胀为红巨星之时,银河系将与仙女座星系发生碰撞。

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那么,在两个大星系发生碰撞之际,到底是会发生激烈的星系“重组”?还是二者以一种“静悄悄”的方式达到融合呢?下面,笔者努力用最通俗和简洁的语言,来向大家进行一下说明。

“剧烈”与“平静”并存

在万有引力为主导的吸引“法则”面前,银河系与仙女座的碰撞的激烈程度,绝对会超出想象。根据宇宙演化模型和广义相对论的描述,我们很容易判断出两个大星系在碰撞之时的状态,很多恒星将会改变原有的运行轨道,有的甚至会被“撕碎”,从而形成非常壮观的“尾巴”,星际空间中的气体和尘埃,在大部分区域中会受到强烈挤压,而恒星系统中的行星和卫星,在恒星发生剧烈动荡之后,也会被动地经历重新“洗牌”,两个巨大星系在百亿年演化中所形成的状态,几乎会有四分之三以上被无情地摧毁或者改写。

在碰撞发生后,巨大引力和星系原有动能的双重作用下,两个星系势必会发生类似“简谐”振动的运动模式,一个星系分别从对方星系中穿过,然后远离,之后再次靠近,进行下一轮的碰撞,直到最后二者才完全融合在一起。

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由于两大星系靠近中心的区域,恒星的分布密度非常高,在星系中心合并过程中,大量恒星将会由于相互碰撞以及物质的补充,发生更为激烈的“爆炸”,而且新生成的恒星速度,将比今天宇宙中任何一个星系都要快上成百上千倍。同时,两大星系中心的黑洞,也将变得异常活跃,它们一方面快速吞噬着周围的所有,另一方面也加速相互合并,形成质量更大的巨型星系黑洞,同时释放出巨量的高能粒子和辐射风暴。经过上亿年的“磨合”,从相互盘旋的状态慢慢组合成新的巨大黑洞,向整个宇宙空间发生强烈的引力波。

尽管两大星系的碰撞,会产生上述剧烈的“烟花”,但是这个过程,严格意义上来说,还说不上真正的“碰撞”,因为星际空间绝大部分是“空”的。拿银河系来说,虽然其中包含了高达数千亿颗恒星,但是恒星与恒星之间的距离非常“遥远”,平均下来相隔近5光年,这个距离与恒星的直径甚至有效引力相比,都是非常“宽松”的。

所以,我们可以说,虽然两大星系的合并,对于星系中的行星,特别是对于像地球这样拥有生命的星球来说,绝对具有变革性的影响,但是大多数的恒星和其中的行星,在此次星系碰撞中,仅仅是“擦肩而过”。

从星系演化的尺度看,这种碰撞很常见

在天文学中,科学家们将星系的碰撞形象地称为“星系堆积”。据计算机模拟的结果显示,在过去的100亿年中,我们所在的银河系,在形成现在的棒旋结构之前,至少经历过五次重大的合并过程。通过对其他一些星系的合并观测和研究,既可以帮助我们了解宇宙的历史,同时也能让我们更清晰地看到自己的未来。

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长期以来,天文学家们还缺乏仔细测量和模拟星系碰撞的工具,遥远宇宙空间中所发生的星系碰撞事件,往往都被“厚厚”的尘埃云所遮挡,即便使用最大的望远镜,这些尘埃云也难以在可见波长下穿透。好在随着天文观测技术的进步,现有的以及计划中的一些大型天文望远镜中的一些新设备,逐渐能回答科学家们关于星系合并的一些基础问题,比如在星系碰撞的混乱中恒星是如何诞生的、星系中央的黑洞在星系碰撞时是如何增长的、黑洞合并所释放的强烈辐射如何影响新星系的形成等等。

在一百年前哈勃首次发现银河系外的“星云团”之后,科学家们通过大量的观测,将“河外星云”划分为三种类型,即椭圆星系、螺旋星系和不规则星系。从上世纪60年代开始,不少天文学家对观测到的不规则星系展开了深入研究,发现这些星系不规则的扭曲形态,极有可能是星系在合并过程中所呈现的特征。这些星系在碰撞过程中,改变了星系原有的规则形态,同时合并使得大量星际气体和尘埃聚集到致密的区域,为新恒星的诞生创造了“温床”。

与此同时,星系合并虽然是强大的“恒星工厂”,但是在碰撞中新形成的星团,有可能寿命非常短,通过哈勃太空望远镜的数据,天文学家发现,随着时间的推移,那些新生成的星团数量,呈现出明显的下降趋势,这表明大量星团它们在诞生后不久,就在超强的引力潮汐力、超新星爆发、黑洞吞噬等进程中被摧毁了,成为了星系演化中的“牺牲品”。

目前已经发射、正在向地球和太阳系统L2点进发的詹姆斯韦伯太空望远镜,灵敏度要比哈勃望远镜高50倍,空间分辨率要比斯皮策望远镜高10倍,可在光谱的近红外和中红外部分提供清晰的星系图像,这对于扩展我们对宇宙星系合并的理解,将起到极大的推动作用。再加上高分辨率的计算机模拟,我们在不远的将来,将会发现宇宙中更多奇特的天体和现象,人类的星辰大海探索之旅将会变得更加丰富多彩。