星系碰撞，銀河系的宿命

亞倫·S. 埃文斯 李·阿姆斯

50億年后，我們的銀河系注定會和仙女座星系發(fā)生碰撞。通過觀測宇宙中其他星系的碰撞過程，天文學家對星系碰撞有了一定的了解，還能據(jù)此預測銀河系的未來。

50億年后，我們的銀河系注定會和仙女座星系發(fā)生碰撞。通過觀測宇宙中其他星系的碰撞過程，天文學家對星系碰撞有了一定的了解，還能據(jù)此預測銀河系的未來。

大約50億年后，隨著太陽膨脹成為一顆半徑能夠達到地球軌道的紅巨星，我們的星系也會與最近的“大塊頭”鄰居——仙女座星系發(fā)生碰撞。隨著兩個星系在引力作用下近距離交會，星系中的恒星將被剝離，繪制出壯麗的尾跡。氣體與塵埃則被壓入彼此靠近的星系核區(qū)，徹底摧毀已經(jīng)存在了3/4宇宙年齡的宏偉旋渦結(jié)構(gòu)。

最終，星系中心也會合并，氣體涌入核區(qū)中心，這一過程將加速恒星的形成，導致合并的星系中恒星的形成速率比正常星系快100倍。同時，氣體也會為潛伏在兩個星系中心的超大質(zhì)量黑洞提供新鮮的“燃料”。如今保持安靜的黑洞，屆時會變大，同時爆發(fā)性地釋放出高能粒子和輻射，亮度很容易就會超過兩個星系中所有恒星的總和。再過1億年左右，兩個超大質(zhì)量黑洞將不斷靠近，進而合為一體，向全宇宙發(fā)出強烈的引力波。

這樣的過程如今正在宇宙的各個角落發(fā)生著，且在宇宙早期更加普遍。盡管過程絢爛，但星系之間的碰撞其實并不是嚴格意義上的“碰撞”。星系內(nèi)部空間空曠，像銀河系這樣的星系大約有1500億～4000億顆恒星，每兩顆恒星之間的平均距離約為5光年。換句話說，雖然星系合并能釋放出巨大的能量，甚至能扭轉(zhuǎn)星系的生命歷程，但在這一宏大事件中，星系中的大多數(shù)恒星也只會擦肩而過。

星系的連環(huán)“相撞”如此迷人且重要。通過研究其他星系的合并，我們可以預言銀河系的未來，可以預言銀河系與仙女座星系合并時太陽系會發(fā)生什么。它會因恒星的形成而分崩離析，還是會被混亂的引力沖出銀河系？除此之外，研究星系的合并還有助于我們了解宇宙的歷史，因為宇宙在更年輕、密度更大時，星系的碰撞更為常見。

在這之前，天文學家缺乏觀測和模擬星系碰撞的工具，即便使用最強大的望遠鏡，星系碰撞的大部分過程也都因星際塵埃的掩蓋而無法觀測到。但是，借助正在籌建的全新望遠鏡，我們將有機會回答關(guān)乎星系合并的一系列重大問題，例如在星系碰撞的過程中，新一代的恒星是如何誕生的，以及中心黑洞的生長和最終合并所釋放的輻射如何影響合并形成的新星系。

星系連環(huán)“相撞”

約一個世紀前，美國天文學家哈勃發(fā)現(xiàn)，天空中許多當時被稱為“星云”的發(fā)光斑點并不在銀河系內(nèi)，而是獨立的“宇宙小島”。哈勃將這些“河外星云”分為三類：球形或橢球形的（橢圓星系）；扁平、有時呈現(xiàn)棒狀結(jié)構(gòu)且擁有一個中心核球的（旋渦星系，比如銀河系）；畸形的（不規(guī)則星系）。

實際上，一小部分不規(guī)則星系是高度扭曲的星系對或星系群。在哈勃公布自己發(fā)現(xiàn)之后的幾年里，美國帕洛馬山天文臺的哈爾頓·阿爾普等先驅(qū)對這類“相互連接的星系”進行了詳細的研究。阿爾普在1 9 6 6年出版了《特殊星系圖集》，其中由照相底片制作的長曝光圖像清楚地顯示了這些星系扭曲的形狀，現(xiàn)在的天文學家認為這些形狀正是合并星系的特征。

20世紀70年代，英國天體物理學家尤里·圖姆爾和阿拉爾·圖姆爾兩兄弟使用計算機模擬了簡單盤狀星系在束縛軌道和拋物線軌道上的相互作用，重建了數(shù)個觀測到的特殊星系的形狀——尤其是復原了那些在合并過程中被拋射到很遠的恒星軌跡。這一工作及一系列早期數(shù)值模擬的結(jié)果表明，阿爾普和其他人發(fā)現(xiàn)的那些不尋常的壯觀星系特征完全可以由引力的相互作用來解釋。美國夏威夷大學的約書亞·E. 巴恩斯等人領(lǐng)導的團隊使用最先進的計算機模擬并進一步分析了星系相互作用的多樣性，以及其在星系生命周期中的重要性。

1983年，第一顆紅外天文衛(wèi)星（IRAS）發(fā)射升空并對9 6% 的天空進行了遠紅外測量，這極大地促進了科學家對隱藏在塵埃背后的宇宙尤其是星系合并的研究。IRAS觀測的波段對塵埃溫度很敏感，因此易于區(qū)分較熱和較冷的塵埃輻射。星系中的星際塵埃是恒星誕生的溫床。在正常的星系中，恒星主要誕生于由分子氫和塵埃組成的云團中。而隨著恒星的演化和死亡，其內(nèi)部因核聚變而產(chǎn)生的碳和氧元素等會被釋放出來并形成塵埃，從而使周圍云層中的塵埃更多。在碰撞星系中，這個過程則處于加速狀態(tài)——星系合并后，氣體和塵埃會聚集于致密區(qū)域，導致名為星暴的爆發(fā)性恒星形成，進而產(chǎn)生更重的元素和塵埃。盡管年輕的大質(zhì)量恒星以短紫外線輻射釋放出大部分能量，但實際上只有很少一部分能量能真正抵達地球，周圍的塵埃顆粒吸收紫外線并重新發(fā)射出紅外輻射。配備有靈敏紅外探測器的望遠鏡可以測量這種輻射，使我們能夠穿過塵埃觀察并研究恒星誕生的最早階段和超大質(zhì)量黑洞的生長過程。

IRAS 在銀河系和數(shù)以千計的其他星系中探測到了許多這樣的恒星搖籃，從兩個重要的方面大大提高了我們對于星系合并的理解。第一，IRAS 準確測量了這些天體內(nèi)部產(chǎn)生的能量，并表明合并星系是宇宙中最亮的天體之一。第二，IRAS 根據(jù)紅外輻射探測到的碰撞星系跨越了較大的距離尺度，為我們提供了首個宇宙時標上的星系合并普查。其中一些碰撞距離地球很遙遠，那里的光甚至是在宇宙只有當前年齡的1/5時發(fā)出的。在一些合并星系中，超過9 0% 的能量從遠紅外波段發(fā)出，光學望遠鏡完全無法看清它們的真實面目。

IRAS向我們證明，過量紅外輻射是尋找相互作用和合并星系的絕佳方式。尤其是它發(fā)現(xiàn)了一類被稱為亮紅外星系（LIRG）的星系。這些星系的遠紅外光度超過太陽的1000億倍，通常被認為是合并星系。更為罕見與壯觀的是極亮紅外星系（ULIRG），它們的遠紅外光度甚至是太陽的1萬億倍以上。

20世紀80年代末，科學家在解釋合并星系核心的物理過程上邁出了重要一步，他們將合并星系與另一類被稱為類星體的天體聯(lián)系起來，而后者被認為由活躍的超大質(zhì)量黑洞供能。類星體是宇宙中最高能的天體，其亮度可達太陽的1萬億倍以上。戴維·桑德斯是當時美國加州理工學院的博士后研究員，他與同事合作，提出ULIRG 星系介于星系合并和類星體之間的早期塵?；\罩階段。他們的研究表明擁有活躍中心黑洞的星系通常看起來更加扭曲，這可能與其經(jīng)歷過星系合并有關(guān)。

強大的亮紅外星系和類星體之間可能存在的聯(lián)系為這兩種看似非常不同的天體提供了一個可以測試的演化模型，并引出了更多對這兩類天體關(guān)系的研究?？茖W家通過一個構(gòu)架把亮紅外星系、強大的星暴星系、活躍的星系以及類星體聯(lián)系起來，重新喚起了人們對星系合并如何在宇宙時間尺度上影響星系演化的興趣。由于宇宙歷史上恒星產(chǎn)生的光有一半都被塵埃重新“加工”成遠紅外線輻射出去，因此星系合并對于宇宙演化的作用至關(guān)重要。

雄偉的目標

2004年，筆者和合作者發(fā)起了大天文臺全天亮紅外星系（LIRG）巡天計劃（GOALS），使用美國航空航天局（NASA）3 臺杰出的望遠鏡：斯皮策空間望遠鏡、哈勃空間望遠鏡和錢德拉X 射線空間望遠鏡收集碰撞星系的圖像和光譜。這些望遠鏡提供了星系合并生命周期的多波段圖像。GOALS樣本涵蓋了20 0多個鄰近宇宙中最亮的亮紅外星系，都在13億光年之內(nèi)，實現(xiàn)了迄今為止最詳細的鄰近宇宙亮紅外星系研究。

我們的團隊還使用了多種地面望遠鏡及歐洲的遠紅外赫歇爾太空望遠鏡和NASA 的NuSTAR X 射線望遠鏡收集數(shù)據(jù)。

GOALS已經(jīng)在諸多問題上顯著提升了我們對碰撞星系的理解。例如一個老生常談的問題，到底是新形成的年輕恒星還是活躍的黑洞對合并星系輻射的貢獻更大？有一種在星系合并生命周期的不同時間區(qū)分它們各自貢獻的方法，就是查看兩種天體的能量分布。恒星通常是簡單的黑體輻射——它們所輻射的能量的峰值完全取決于它們的溫度，并且其能量輸出在波長較短和較長的部分都迅速下降。相比之下，黑洞周圍吸積盤黏稠且熾熱，溫度從外側(cè)到黑洞的事件視界面逐漸升高。吸積盤輻射的能量分布會寬得多，高能輻射的比例也比恒星大得多，而且它可以加熱和電離（剝離電子）周圍氣體中的各種元素。在星系光譜中發(fā)現(xiàn)的高度電離元素的寬發(fā)射線是一個確鑿的證據(jù)，表明有一個吸積氣體的超大質(zhì)量黑洞藏在星系中心。

對LIRG而言， 星暴似乎是比黑洞更重要的能源。GOALS中大約1/5的亮紅外星系擁有活躍的超大質(zhì)量黑洞，但即使在這些星系中，也只有1/2 由黑洞貢獻了主要的紅外輻射。不過，我們可能會遺漏一些被塵埃掩埋的活躍黑洞，它們在紅外波段無法被識別。此外，我們發(fā)現(xiàn)的活躍黑洞傾向處于合并生命周期的晚期，這表明大部分超大質(zhì)量黑洞的增長可能滯后于恒星的形成，讓星暴有更多時間貢獻總能量?；蛘?，正如GOALS 團隊成員安妮·梅德林對一些LIRG 做的高分辨率紅外觀測所表明的那樣，一些黑洞也可能提前生長。恒星和中心超大質(zhì)量黑洞在星系內(nèi)生長的精確時間尺度是當前大量研究的主題?？茖W家正試圖了解過去20年中最深奧的謎團之一：為什么超大質(zhì)量黑洞與其宿主星系核球中恒星的質(zhì)量比基本上總是等于1∶1000。

新視野

近期的其他項目揭示了關(guān)于LIRG 以及碰撞星系中恒星形成過程的新線索。例如，美國空間望遠鏡科學研究所的GOALS 成員克爾斯滕·拉森等研究人員通過觀測被大質(zhì)量恒星加熱的氣體發(fā)現(xiàn)，LIRG 中的大部分恒星形成于極其致密和高能的星暴區(qū)域。這些區(qū)域的恒星形成率和氣體的密度比我們在正常星系中發(fā)現(xiàn)的高10倍或更多。在星系合并過程的早期，最活躍的恒星形成區(qū)往往位于LIRG 核區(qū)之外的區(qū)域。隨著星系的繼續(xù)合并，主要的星暴區(qū)域是那些合并星系的核區(qū)以及周圍的致密團塊，可能是因為原本在旋臂中的氣體在引力作用下流向中心。

有趣的是，在能量最高的合并后期，分子氣體中心密度非常高，以至于它們不再是連續(xù)分布的，而是開始形成巨大的、相互分離的分子云。一個典型的例子是距離地球2.5億光年的極亮紅外星系A(chǔ)rp 220。來自中國臺灣的幾名研究員采用ALMA 陣列精細地繪制了該星系中心的分子氣體圖像，圖像顯示這個不大于3000光年的區(qū)域內(nèi)包含了數(shù)倍于銀河系的分子氣體。

盡管星系合并是強大的恒星工廠，但在碰撞中形成的星團實際上可能壽命短得驚人。瑞典斯德哥爾摩大學的安吉拉·阿達莫等人通過哈勃空間望遠鏡觀測發(fā)現(xiàn)，星團數(shù)量隨著星團年齡急劇下降。這表明大量的星團實際上在其合并星系誕生不久后就瓦解了。碰撞加速了恒星的形成，但潮汐力以及星團內(nèi)部的超新星風很容易將它們撕裂。

如同恒星演化末期星團中的氣體可以被清除一樣，合并本身也會成為超新星和中心超大質(zhì)量黑洞活動反饋過程的犧牲品，這將對合并星系的進一步演化產(chǎn)生深遠影響。赫克曼和他的合作者在20世紀90年代初期首次研究了來自合并星系的大量電離氣體流。他們在一些低紅移的LIRG和ULIRG 中發(fā)現(xiàn)了強烈的電離氣體流（也被稱為“超級風”）。隨后針對這種熱原子氣體的研究表明，超級風不僅在這些星系中很常見，而且速度最快的超級風還可驅(qū)散合并星系中的氣體。GOALS 團隊成員梅德林等人通過凱克望遠鏡觀測到了熱氣體產(chǎn)生的噴流和氣泡，標志著星系核區(qū)將能量注入星系并驅(qū)動外流。

星系超級風是多相的，這意味著它們可以同時包含熱的原子氣體和冷的分子氣體。在研究超級風中的稠密分子氣體時，往往發(fā)現(xiàn)有大量的冷氣體從合并星系向外流出。這些外流可以輕松延續(xù)6萬光年，有時攜帶的氣體比在星系核區(qū)中形成恒星的氣體還多，大幅掠奪了星系用以持續(xù)制造恒星的燃料。同等重要的是，這些風可以將重元素和塵埃送入星際空間。外流似乎都起源于星系合并的核心附近，受到超新星、輻射壓力和來自星系中心超大質(zhì)量黑洞的噴流（快速氣體柱）的綜合影響。

太空巨眼

已經(jīng)發(fā)射的詹姆斯·韋布空間望遠鏡將會極大地擴展人類對宇宙不同時間階段星系合并的理解。這臺口徑為6.5米的紅外望遠鏡于2021年年底升空，靈敏度和空間分辨率更高，足夠在光譜的近紅外和中紅外部分提供清晰的星系圖像。它同時攜帶成像光譜儀，可以在一次指向中生成數(shù)百個光譜。這種能力讓它可以精細繪制恒星形成區(qū)域和活躍吸積的超大質(zhì)量黑洞附近的區(qū)域。

GOALS合作項目將觀測附近的4個亮紅外星系作為詹姆斯·韋布空間望遠鏡早期發(fā)布科學計劃的一部分。其他研究人員會使用這臺望遠鏡觀測附近明亮的活動星系和遙遠的類星體。GOALS的早期觀測目標包括具有強大星暴和活躍中心黑洞的星系，這些星系都處于合并的“陣痛”之中，并且都在釋放強大的外流，它們?yōu)榱私膺@些物理過程如何在宇宙早期運作提供了寶貴的經(jīng)驗。除了早期發(fā)布的項目之外，詹姆斯·韋布空間望遠鏡的第一個通用觀測器周期還選擇了幾個項目，用于檢驗來自年輕星團和活動黑洞反饋、光學波段看不到的恒星形成活動所占的比例，以及LIRG星系中被遮蔽的核區(qū)的本質(zhì)。

下一代甚大射電望遠鏡陣列將會取代現(xiàn)有的由27個天線組成的甚大陣。這個由263面天線構(gòu)成的射電和亞毫米波段的干涉陣列將觀察恒星形成區(qū)域、活動黑洞和正在爆發(fā)的恒星，其靈敏度和分辨率會是原來的10倍。

總而言之，這些強大的新一代望遠鏡將會揭示近鄰星系和早期宇宙星系合并過程中的天體物理過程。高分辨率的數(shù)值模擬和這些全新的觀測技術(shù)結(jié)合，能幫助人類理解物理反饋過程是如何調(diào)節(jié)合并星系中的恒星形成和黑洞生長的。隨著在宇宙更遙遠的地方發(fā)現(xiàn)更多奇特的天體，人類將繼續(xù)使用這些全新的工具來更好地了解星系的誕生和演化過程。

本文轉(zhuǎn)自《南方周末》