45億年后的星系華爾茲

范舟

發現仙女座星系

這個星系并合的主角之一是我們身處的銀河系，另一位主角就是仙女座星系（梅西耶星表編號31，星云星團新總表編號位NGC 224）。之所以叫仙女座星系是因為她在天球上的位置在仙女座，視星等3.4等，在無月夜是可以用肉眼看到的。仙女座星系是本星系群中最大的星系，距離我們254萬光年，其中包含10000億顆恒星，而我們人類所在的銀河系僅有3000億顆恒星。那么這個巨大的星系是怎么發現的呢？

仙女座

20世紀初，美國天文學家亨利愛塔·勒維特利用造父變星進行天體測距。由于造父變星的光變周期（即亮度變化一周的時間）和其自身的亮度存在很強的相關性，因此通過測量光變周期就可得到其本征的亮度，再通過亮度和距離的平方反比關系求得距離，因此造父變星的這一特征成為標準燭光。在同一時代，美國天文學家維斯托·斯里弗通過觀測天體譜線的多普勒效應發現了天體的紅移現象，也就是說該天體在向遠離我們的方向運動。1923年，美國天文學家埃德溫·哈勃通過觀測仙女座星系中的造父變星，發現其距離遠超銀河系的本身尺度，這打破了當時人們普遍認為的整個宇宙只有銀河系大小的觀點。1929年埃德溫·哈勃提出了著名的哈勃定律：由于宇宙膨脹，絕大多數星系都會遠離我們（紅移），而星系的退行速度與我們的距離成正比，這就意味著宇宙并非是靜止的，而是在膨脹。

星系華爾茲的誕生

三角座星系是本星系群的第三大旋渦星系

但在實際觀測中卻存在幾個例外，比如仙女座星系，并不是遠離我們，而是朝著銀河系中心以110千米/秒的速度（扣除了太陽在銀河系的旋轉速度）而來，這也意味著在未來，很可能這兩個星系會碰撞。大家都知道，在馬路上，兩輛汽車相撞的可能性還是比較大的，之所以如此，是因為在同一條馬路上，可以認為是一維空間。假如是在任何方向都可以任意馳騁的大草原上，兩輛汽車相撞的概率就要低得多。那么如果是在三維空間，其碰撞概率就應該低得更多，況且是在這么遙遠的距離—254萬光年。空間上的一個微小的角度偏差最終就會導致在距離上的巨大偏差，因此兩個星系的碰撞看起來還是非常“難”的一件事。

蓋亞第一張全天彩色圖像

而真正確定這個碰撞的是美國馬里蘭州巴爾的摩空間望遠鏡研究所的科學家羅伊蘭德·范德·馬雷爾（Roeland van der Marel）和桑姆·托尼·孫（Sangmo Tony Sohn）等人。2002—2010年間，他們利用哈勃空間望遠鏡，通過長期的自行（和視線垂直方向的速度）觀測，對仙女座星系的不同區域分別進行了細致觀測和計算，結果發現這兩個星系在大約40億年后的碰撞是不可避免的，并合后的星系被稱為Mikodeda或者Milkdromeda，就是銀河系（Milky Way）和仙女座星系（Andromeda）的英文結合體。2015年5月，《自然》雜志報道了這則新聞，并對這次碰撞進行了數值模擬，同時還利用動畫給出了40億年之后仙女座星系和銀河系兩個星系的首次“親密接觸”，這就像是兩位舞者在華爾茲中的首次牽手。這時如果從地球上看，我們首先會看到仙女座星系離我們越來越近，并且看起來越來越大，之后這兩個星系幾乎是擦肩而過，再經歷20億年，兩個星系又會回頭再次擁抱，發生明顯的并合，最終成為一個巨橢圓星系或者一個巨形盤狀星系。

事實上，仙女座星系現在正在經歷著一場和三角座星系（M33， NGC598）的華爾茲舞蹈。2009年，加拿大赫茨伯格天體物理研究所的艾倫·W.麥康納奇（Alan W. McConnachie）和合作者們在《自然》雜志上發表了一篇文章，介紹了計算機數值模擬的這段美妙舞蹈的過程：大約在34億年前這兩個星系就由于引力的作用發生了相互作用，并開始了一段舞蹈，8億年后三角座星系達到了離彼此最近的距離，在9億年前達到了最遠的距離，然后回轉到目前的位置。在這段美妙的華爾茲中，由于強烈的引力潮汐作用，拉扯出了大量的恒星流，彌散在仙女座星系的周圍。

船尾座RS是銀河系中最亮的造父變星之一

那么星系并合是否會造成恒星碰撞并對地球產生影響呢？

我們都知道，恒星之間的距離非常遙遠。如果星系相互并合，恒星碰撞的概率是非常低的，因為星系中恒星的空間分布密度非常低。即使在恒星密度最高的銀盤上，比如說距離太陽最近的恒星—比鄰星—距離我們約4光年，這個尺度相當于1100千米外的一個乒乓球，這個距離遠遠超過了太陽本身的大小。星系并合的過程就類似于兩團云霧合并成一團，而恒星之間碰撞的概率幾乎為零，因此大家不用擔心恒星會相撞，但是這兩個巨型星系碰撞肯定會讓夜空變得異常明亮。

啥勃空間望遠鏡

星系并合事件多

蓋亞衛星（Gaia）于2013年12月發射，主要用于精確測量約10億顆恒星的距離和運動，以幫助科學家創建人類有史以來最精確的銀河系/近鄰宇宙圖景。利用蓋亞衛星的精確測量，空間望遠鏡研究所的馬雷爾使用蓋亞衛星在2018年4月發布的第二批數據，探索了仙女座星系和三角座星系的運動軌跡，并同時對仙女座星系和銀河系的碰撞進行了模擬，結果發現仙女座星系和銀河系的碰撞可能在45億年后，這比之前利用哈勃空間望遠鏡數據預估的晚大約5億年。同時，模擬結果顯示兩星系側面碰撞的概率要比正面碰撞的概率大，也就是說這兩個星系正面碰撞的概率并不大。

銀河系與仙女座星系之間預測并合的不同階段

然而，實際上仙女座星系并不是第一個和銀河系發生碰撞的星系，銀河系擁有約60個衛星星系，其中最大的一個是大麥哲倫星系，其恒星數量大約只有銀河系的1/10，所以是個小兄弟。近期英國天體物理學家通過計算機模擬發現，在大約20億年之后，大麥哲倫星系將先和銀河系并合，不過這個并合的規模與45億年后銀河系和仙女座星系的并合規模相比，只能算是“小巫見大巫”。

實際上，在宇宙中類似于未來仙女座星系和銀河系并合的事件非常多，可以說是常見的星系形態之一。哈勃空間望遠鏡觀測了非常多的圖像，比如相互并合中的觸角星系、雙鼠星系、蝌蚪星系等，因此仙女座星系和銀河系的并合只是宇宙這個超大舞池中非常普通的一段華爾茲而已，而那些明亮的橢圓星系可能已經經歷過星系并合的過程，仿佛每一個都能為我們講述一段難以忘懷的奇妙故事。

宇宙中星系并合事件比較常見