不可能的星辰往事銀河系曾與仙女座星系碰撞過？

班子辰

銀河系最終的命運(yùn)早已確定?，F(xiàn)離我們約有250萬光年的仙女座星系正以每秒300多千米的速度向銀河系駛來。大約再過40億年，兩個(gè)星系會(huì)發(fā)生碰撞。那時(shí)，星系內(nèi)許多恒星、行星和星云會(huì)被甩離原星系，而一些星云的碰撞也會(huì)催生出一批新的恒星。幸存下來的恒星、行星和星云將會(huì)組成一個(gè)更大的橢圓星系。

上面描述的是銀河系災(zāi)難性的未來。但你想不到的是，銀河系似乎在過去就曾與仙女座星系發(fā)生過一次碰撞。這是怎么回事呢？

奇怪的矮星系分布

這個(gè)問題首先是從一個(gè)小問題開始的：圍繞銀河系的那些很小的星系，即矮星系，有著奇怪的空間分布。

事實(shí)上，早在20世紀(jì)70年代，就有天文學(xué)家指出，圍繞銀河系的矮星系并不是隨機(jī)分布的，看起來好像是某些東西把它們拉到特定的位置上，可能是一個(gè)更大的星系解體留下的碎屑流。但矮星系分布問題逐漸被人們冷落，因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)，大家一窩蜂地都去研究暗物質(zhì)了。

現(xiàn)在，天文學(xué)家認(rèn)為，在早期宇宙中，初始的暗物質(zhì)分布存在著微小的不均勻性，在自身的引力作用下，暗物質(zhì)在初始密度高的地方聚集，最終發(fā)生坍縮，并把周圍普通物質(zhì)也卷入進(jìn)去，最終形成了旋轉(zhuǎn)的盤狀物質(zhì)——星系。

根據(jù)上面的理論做出的計(jì)算機(jī)模擬，與天文學(xué)觀測的結(jié)果很符合。所以我們相信，大多數(shù)的星系都“鑲嵌”在一團(tuán)暗物質(zhì)暈當(dāng)中。

但這些模擬暴露出一個(gè)問題：按理說，當(dāng)暗物質(zhì)坍縮為一團(tuán)暗物質(zhì)暈時(shí)，在周圍會(huì)留有一些小的暗物質(zhì)碎塊，這些碎塊會(huì)捕獲普通物質(zhì)，最終在母星系周圍形成矮星系，這些矮星系應(yīng)該是隨機(jī)形成的。但令人尷尬的是，最近所做的觀測顯示，銀河系周圍的矮星系并不是隨機(jī)分布的：這些矮星系構(gòu)成了一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，而且這個(gè)環(huán)所在的平面與銀河系的盤面夾角大致為直角。

許多天文學(xué)家對上面的小尷尬不以為然。也許，只是因?yàn)槲覀冞€沒看到所有的矮星系而已。但是，來自德國的天文學(xué)家還研究了銀河系周圍其他天體，包括球狀星團(tuán)（比矮星系小的球形恒星集合）和恒星流（由眾多恒星組成的鏈狀結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是矮星系分裂后形成的）。他們發(fā)現(xiàn)這些天體的分布也與矮星系的類似。

意想不到的碰撞

為了解釋這一切，一些天文學(xué)家們提出了一個(gè)驚世駭俗的觀點(diǎn)——這可能是星系間的碰撞產(chǎn)生的碎片。于是，他們進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，結(jié)果表明銀河系的矮星系的確有可能是因星系碰撞產(chǎn)生的。

不過，是誰曾在過去與銀河系交手過？

天文學(xué)家們始終沒有找到合適的候選者，直到2013年，來自法國斯特拉斯堡天文臺(tái)的觀測結(jié)果顯示，仙女座星系周圍的矮星系也有著類似的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。仙女座星系盤上方的矮星系在遠(yuǎn)離我們，而下方的矮星系在靠近我們，表明這些矮星系是處在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的環(huán)形結(jié)構(gòu)中。另外，這個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)所處的平面與銀河系的大致都在一個(gè)平面上。這一切似乎都在說，這兩個(gè)星系曾發(fā)生過碰撞。

這怎么可能呢？即使把假定的暗物質(zhì)都考慮進(jìn)去，仙女座星系與銀河系也沒有足夠的質(zhì)量，或者說足夠的引力，在過去及時(shí)拉到一起來發(fā)生一次碰撞。

所以，這是一個(gè)僵局，除非引力本身存在著問題。

修改引力

牛頓和愛因斯坦的理論都假定，引力的強(qiáng)度與兩個(gè)物體之間距離的平方成反比。經(jīng)過300多年的探索，我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)理論在太陽系內(nèi)的確是成立的。但在太陽系外呢？我們從來沒有在更大的尺度下進(jìn)行過測試。

其實(shí)，引力在各個(gè)地方的表現(xiàn)并不是一樣的，這種觀點(diǎn)早在上個(gè)世紀(jì)80年代就提出過，為的是替代暗物質(zhì)模型。這種理論叫做修正牛頓動(dòng)力學(xué)。

修正牛頓動(dòng)力學(xué)是說引力場在相對較弱的情況下，其強(qiáng)度不與距離的平方成反比，而是隨著距離的增加衰減得更加平緩。根據(jù)這種引力理論，仙女座星系與銀河系之間的引力比傳統(tǒng)計(jì)算的要大得多。

2014年，一些天文學(xué)家經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，如果修正牛頓動(dòng)力學(xué)是正確的，那么銀河系和仙女座星系就有足夠的引力在70億到110億年前，發(fā)生過一次碰撞。

盡管我們從來沒有檢測過引力強(qiáng)度在很弱的引力場下究竟怎樣，但是許多物理學(xué)家都不喜歡去修改引力理論。另外，修正牛頓動(dòng)力學(xué)不是萬能的，在許多星系或星系團(tuán)中，我們?nèi)匀恍枰邪滴镔|(zhì)的存在，來把這些天體內(nèi)的物質(zhì)都聚在一起。

總之，修正牛頓動(dòng)力學(xué)無法完美解決問題。

超流體暗物質(zhì)

一些美國物理學(xué)家提議，還可以用“超流體暗物質(zhì)”解決此問題。

超流體，是一種處在玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的物質(zhì)。玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)是一個(gè)與固體、液體和氣體完全不同的物質(zhì)狀態(tài)，是某些原子一旦低于特定的溫度時(shí)，它們的行為如同一個(gè)單一的原子，而且內(nèi)部物質(zhì)流動(dòng)時(shí)是沒有阻力的。當(dāng)溫度上升時(shí)，它們很快會(huì)恢復(fù)到正常狀態(tài)。

如果暗物質(zhì)粒子可以進(jìn)入玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，那么就可以解決許多問題。在相對較弱的引力場下，暗物質(zhì)移動(dòng)緩慢，溫度很低，它會(huì)進(jìn)入玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，因?yàn)樾袨槿缤粋€(gè)單一的粒子，意味著其質(zhì)量或能量是均勻分散到它所存在的范圍里，時(shí)空彎曲得會(huì)更加平緩，產(chǎn)生了類似修正牛頓動(dòng)力學(xué)中的引力。這樣一來，銀河系和仙女座星系就能有機(jī)會(huì)在過去發(fā)生過一次碰撞。

那么，為什么我們沒有在太陽系內(nèi)察覺到這個(gè)現(xiàn)象？

因?yàn)槲覀兩磉呌袀€(gè)太陽。太陽系內(nèi)是一個(gè)引力場較強(qiáng)的地方，暗物質(zhì)無法在這里進(jìn)入玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。每個(gè)銀河系的恒星附近也是這樣。不過，我們的星系以及所有其他的星系之間，距離很遠(yuǎn)，所以在整個(gè)銀河系中，超流體暗物質(zhì)仍占主導(dǎo)地位。

現(xiàn)在，這些物理學(xué)家正利用計(jì)算機(jī)模型來研究超流體暗物質(zhì)如何影響星系的碰撞，然后再去找哪些天文學(xué)觀測可以驗(yàn)證此理論，以及還準(zhǔn)備在實(shí)驗(yàn)室中尋找有哪些低溫下的原子會(huì)產(chǎn)生類似的效果。如果有的話，也許我們可在實(shí)驗(yàn)室中用冷原子氣體來模擬星系。

巨大的差距

許多科學(xué)家認(rèn)為，不管是修正牛頓動(dòng)力學(xué)，還是超流體暗物質(zhì)理論，這些都是不必要的，這就像用大炮打蚊子——大刀破斧地修改理論只是為了解決矮星系分布的小問題。

一些天文學(xué)家還推測，矮星系的分布問題，可能只是因?yàn)楫?dāng)前計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力有限導(dǎo)致的。但模擬與現(xiàn)實(shí)之間的差距是很明顯的。銀河系矮星系構(gòu)成的環(huán)形結(jié)構(gòu)直徑約50萬光年，但厚度不超過5萬光年。但是計(jì)算機(jī)根據(jù)現(xiàn)有理論模擬出的環(huán)形結(jié)構(gòu)，其厚度始終都大于100萬光年。這差距太大了，可不是個(gè)小問題。

當(dāng)然，這一切并不會(huì)影響銀河系最終的命運(yùn)。

當(dāng)我們的星系走向終結(jié)時(shí)，我們可安詳?shù)匦蕾p星系大碰撞帶來的巨大的“煙火表演”。不過，如果我們真的需要修改引力或暗物質(zhì)理論的話，一個(gè)可以確定的事情是，這場“煙火表演”發(fā)生的時(shí)間應(yīng)該會(huì)比我們所預(yù)期的要早很多。