當(dāng)牛郎碰上織女

牛郎、織女除了是中國(guó)神話里的人物，也是天上的星座——牛郎星、織女星，西洋人稱為天鷹座α星、天琴座α星。民間傳說(shuō)每年農(nóng)歷七夕來(lái)臨時(shí)，牛郎星和織女星會(huì)在喜鵲的牽引下，進(jìn)行一年一度的相聚；現(xiàn)在我們已經(jīng)知道它們根本不可能碰在一起。不過(guò)宇宙中的確有一些星系會(huì)碰在一起，這種巧遇談不上迸出愛(ài)的火花，反而有時(shí)還真像是人間煉獄。

星系就像人類一樣具有社會(huì)性，它們會(huì)成群地聚集在一起而形成星系團(tuán)，星系團(tuán)也會(huì)聚集成超星系團(tuán)，就像人類的家庭、城市、省、國(guó)家一樣。星系的聚集主要是靠重力，在這么大的尺度下，天文學(xué)家都假設(shè)沒(méi)有其他作用力能夠與重力相匹配，因此，在討論星系的動(dòng)力行為時(shí)，重力是最重要的作用力。

一般星系團(tuán)內(nèi)，各個(gè)星系之間的距離差不多是星系大小的10倍~100倍。

星系間的平均自由程λ為103L/π~106L/π，L是星系的大小。假如星系以每秒100千米運(yùn)動(dòng)，則星系大約每300萬(wàn)年～30億年就會(huì)碰撞一次，因此在100億年間，每個(gè)星系都可能有機(jī)會(huì)與其他星系碰撞一次。

以往許多天文學(xué)家并不重視星系碰撞的現(xiàn)象，但是最近的觀測(cè)及理論的進(jìn)展，再加上最新的數(shù)值模擬理論，逐漸證實(shí)星系碰撞比以前想象的次數(shù)還要多；除此之外，星系碰撞后會(huì)形成全新的外觀，這對(duì)星系演化以及分類提供了新的解釋。

碰撞乎？騷擾乎？

事實(shí)上，星系的碰撞和我們?nèi)粘５慕?jīng)驗(yàn)不完全相同，嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，只能算是驚鴻一瞥。星系之間的相互作用靠的是重力，但是星系內(nèi)，恒星之間的距離遠(yuǎn)大于恒星的截面積，幾乎不可能有面對(duì)面的相撞；即使在星系團(tuán)，星系以每秒數(shù)千千米的速度與其他星系擦肩而過(guò)，也不會(huì)造成影響。不過(guò)，假如星系以每秒數(shù)百千米的速度經(jīng)過(guò)另一星系，那就很有可能嚴(yán)重地影響另一個(gè)星系，甚至?xí)_(dá)到“天人合一”的境界。

在力學(xué)的教科書(shū)中有詳細(xì)的描述：當(dāng)一個(gè)物體A經(jīng)過(guò)另一個(gè)靜止的物體B時(shí)，物體A的軌跡會(huì)受到物體B重力的吸引而朝向物體B彎曲。所以兩物體不需要正面碰撞，但彼此會(huì)受到對(duì)方的重力影響，改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。彎曲的程度受到許多因素控制，例如物體A的速度較慢，彎曲的程度較嚴(yán)重；物體A離物體B較遠(yuǎn)，就比較不受影響。此外，除非是正面的碰撞，物體A的軌跡呈現(xiàn)出拋物線或雙曲線，否則在特殊情形下，也有可能變成圓周運(yùn)動(dòng)。

兩星系團(tuán)的交互作用較為復(fù)雜，簡(jiǎn)單地說(shuō)，運(yùn)動(dòng)速度越慢，星系之間的碰撞就有足夠的時(shí)間形成較大的潮汐力，星系會(huì)造成較大的變化。潮汐力與重力差有關(guān)，同壓力梯度類似，兩相鄰點(diǎn)受到不同程度的重力，因此感覺(jué)上二者之間還有一個(gè)作用力存在；在體積龐大的星系團(tuán)，這種潮汐力現(xiàn)象特別明顯。地球上每天兩次的漲潮就是潮汐力的最佳例證。漲潮主要因?yàn)榈厍蚩拷虑虻暮Ｋ艿捷^大的重力吸引，使得海水朝向月球移動(dòng)。假如我們想利用古典力學(xué)的方法求解兩個(gè)以上物體因重力作用而相互運(yùn)動(dòng)的情形，基本上是無(wú)法解析地得到答案，所以想要了解兩個(gè)相互接近星系的運(yùn)動(dòng)情形，除了電腦模擬，別無(wú)他法。有些聰明的理論學(xué)家為了知道某些特定性質(zhì)，也許可以設(shè)計(jì)出模型，化簡(jiǎn)整個(gè)問(wèn)題，但還是會(huì)忽略一些重點(diǎn)，所以在星系碰撞的問(wèn)題上，電腦是不可或缺的工具。

星系的分類

記得筆者在大學(xué)時(shí)，有位同班同學(xué)是天文社社長(zhǎng)。有一回他對(duì)著天空呆望，突然他用手一揮，在無(wú)際的夜空劃上一筆，然后正經(jīng)地說(shuō)：“那是銀河！”當(dāng)時(shí)的我悟性較差(或許是視力較差)，始終找不到銀河，雖然書(shū)本上總是寫(xiě)道：夜空中除了滿天的繁星，還可以隱約看到模糊的帶狀結(jié)構(gòu)橫跨天空，那就是我們的銀河系。

早在18世紀(jì)，人們就已經(jīng)知道天空中有一些模糊的物體，這些模糊的物體剛開(kāi)始被稱作星云，而漩渦狀的星云則是早期科學(xué)家研究的重點(diǎn)。我們現(xiàn)在都知道，當(dāng)時(shí)稱作星云的，事實(shí)上就是星系——由數(shù)十億顆恒星所組成的集合體。

根據(jù)哈勃的長(zhǎng)期觀測(cè)，星系的形狀可以分成三大類：一種是扁平狀的螺旋星系，一種是橢圓狀的橢圓星系，剩下的歸為不規(guī)則星系。剛開(kāi)始大家并不了解這三類星系之間的相互關(guān)系，乃至于對(duì)這三類星系的形成原因都不清楚，例如螺旋星系為什么有這么壯觀的旋臂，其旋臂是如何形成？為什么旋臂大都只有兩條？為什么有時(shí)候螺旋星系中間還有一個(gè)棒狀結(jié)構(gòu)？這些問(wèn)題至今都尚未完全解決，基本上，天文學(xué)家都認(rèn)為麻省理工學(xué)院林家翹教授和加州柏克萊大學(xué)徐瑕生院士所提的“密度波理論”是旋臂形成的原因。至于外觀看似簡(jiǎn)單的橢圓星系和狀似復(fù)雜的不規(guī)則星系，還是令天文學(xué)家頭疼的問(wèn)題。

為什么有長(zhǎng)相不同的星系

一個(gè)很直覺(jué)的問(wèn)題：為什么會(huì)有三種長(zhǎng)相截然不同的星系？假如從星系形成的原因下手，我們可以說(shuō)當(dāng)一團(tuán)氣體開(kāi)始收縮，逐漸形成星系時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)為了維持角動(dòng)量守恒，所以會(huì)收縮成盤狀結(jié)構(gòu)。這個(gè)盤狀結(jié)構(gòu)會(huì)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸垂直盤面，這應(yīng)該是盤狀螺旋星系形成的原因。那么，橢圓星系可能是因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的角動(dòng)量太小，收縮過(guò)程中，比較不受角動(dòng)量守恒的限制去形成盤狀結(jié)構(gòu)。至于少數(shù)的不規(guī)則星系就算是個(gè)意外吧！不過(guò)為什么有些氣體團(tuán)有較大的角動(dòng)量，可以形成盤狀星系？有些則因?yàn)榻莿?dòng)量太小，只能形成橢圓星系？除此之外，橢圓星系內(nèi)的氣體和塵埃非常少，這又是什么原因？另外，那些屬于意外的不規(guī)則星系真的只是突變種嗎？它是否可以提供一些信息？

先前提到的星系碰撞，也許可以對(duì)這三大類星系之間的關(guān)系提供一些線索。的確，現(xiàn)在一些天文學(xué)家認(rèn)為，星系碰撞是三大類星系形成的原因。將星系碰撞的現(xiàn)象研究清楚，一些重要的形態(tài)學(xué)問(wèn)題應(yīng)該可以迎刃而解，而電腦模擬就是那把利刃！

數(shù)值模擬之樹(shù)枝狀碼

利用電腦模擬星系動(dòng)力學(xué)問(wèn)題時(shí)，一般都是將許多顆恒星當(dāng)作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)來(lái)處理，而每個(gè)質(zhì)點(diǎn)受到其他質(zhì)點(diǎn)的重力吸引，再將這些重力加起來(lái)，利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律，計(jì)算每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情形。例如整個(gè)系統(tǒng)有N個(gè)質(zhì)點(diǎn)，每次光做重力疊加，就需要2N次。這么龐大的計(jì)算量，即使用超級(jí)電腦，也只能計(jì)算數(shù)千個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，但是如果用數(shù)千個(gè)質(zhì)點(diǎn)來(lái)代表一個(gè)星系(1011顆恒星)，它所算出來(lái)的結(jié)果，是無(wú)法令人信服的！更何況是兩個(gè)星系的碰撞。

直到最近，電腦的硬件快速進(jìn)步，向量化和平行化的計(jì)算機(jī)使得計(jì)算速度增加了。尤其是平行電腦，有時(shí)在一個(gè)主機(jī)板上裝了數(shù)百顆CPU，就好像有數(shù)百臺(tái)電腦同時(shí)進(jìn)行運(yùn)算。另外，科學(xué)家也發(fā)展了新的模擬技術(shù)——樹(shù)枝狀碼，它的原理很簡(jiǎn)單：當(dāng)電腦計(jì)算某個(gè)質(zhì)點(diǎn)所受的重力時(shí)，對(duì)于附近的質(zhì)點(diǎn)，就將重力一個(gè)個(gè)加起來(lái)；較遠(yuǎn)的質(zhì)點(diǎn)，就將一團(tuán)的質(zhì)點(diǎn)群當(dāng)作一個(gè)大質(zhì)點(diǎn)處理。這種做法是令人信服的，例如我們?cè)谟?jì)算地球公轉(zhuǎn)軌道的時(shí)候，也是將太陽(yáng)當(dāng)作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)看待。這種技術(shù)最先是由艾貝爾提出，他先設(shè)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)一團(tuán)質(zhì)點(diǎn)群的δs/L小于某一數(shù)值K(δs是質(zhì)點(diǎn)團(tuán)的大小，L是質(zhì)點(diǎn)團(tuán)的距離)，就將這團(tuán)質(zhì)點(diǎn)群看成一個(gè)，若大于K，就將這團(tuán)質(zhì)點(diǎn)群分成兩半，直到滿足標(biāo)準(zhǔn)為止。這種方式就好像樹(shù)枝一樣，不斷地分叉成兩根較小的樹(shù)枝。

利用樹(shù)枝狀碼可以使整個(gè)模擬系統(tǒng)的質(zhì)點(diǎn)數(shù)提高到數(shù)萬(wàn)個(gè)，甚至數(shù)十萬(wàn)個(gè)，這時(shí)星系碰撞的電腦模擬就變得可行了。普林斯頓大學(xué)的巴尼斯就是模擬星系碰撞的第一人，他對(duì)發(fā)展樹(shù)枝狀碼也有很大的貢獻(xiàn)。他模擬的結(jié)果對(duì)三大類星系之間的關(guān)系有重大突破。

最新的切割方式比較有規(guī)則性。例如巴尼斯在二維的模擬中，先將整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)成一個(gè)大的單元，然后將質(zhì)點(diǎn)一個(gè)一個(gè)地依次放入單元內(nèi)；假如單元內(nèi)有兩個(gè)以上的質(zhì)點(diǎn)，就把單元四等分，直到每個(gè)單元內(nèi)只有一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，分裂的四個(gè)小單元是原先母單元的子單元。

同樣地，我們也要設(shè)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算重力，這次的δs是單元的邊長(zhǎng)，是單元的質(zhì)量中心到質(zhì)點(diǎn)的距離。當(dāng)計(jì)算質(zhì)點(diǎn)所受的重力時(shí)，我們先從最底層的母單元開(kāi)始，假如這個(gè)單元的δs/L太大，就向上找它的子單元，看看子單元的δs/L是否滿足我們?cè)O(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)；假如滿足，就將這個(gè)子單元當(dāng)作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，計(jì)算它所產(chǎn)生的重力。這種樹(shù)枝狀碼一般可以使計(jì)算次數(shù)降低。

根據(jù)電腦屏幕所顯示的結(jié)果來(lái)看，當(dāng)兩個(gè)螺旋星系相互碰撞后，外觀會(huì)變得非常不規(guī)則，例如U形，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后，會(huì)發(fā)展成橢圓星系。這和先前的說(shuō)法大不相同。