星系碰撞，银河系的宿命

　　该图从冥王星视角展示了正在合并的银河-仙女座系统的一种可能。冥王星可能会与太阳系一同被抛到银河系的外围。 （环球科学供图/图）
　　大约50亿年后，随着太阳膨胀成为一颗半径能够达到地球轨道的红巨星，我们的星系也会与最近的＂大块头＂邻居——仙女座星系碰撞。随着两个星系在引力拖拽下近距离交会，两个星系中的恒星将被剥离，绘制出壮丽的尾迹。而气体与尘埃则被压入彼此靠近的星系核区，彻底摧毁已经存在了四分之三宇宙年龄的宏伟漩涡结构。
　　最终，星系中心也会并合，气体涌入核区中心，这一过程将引爆恒星形成，导致合并的星系中恒星形成速率比正常星系快100倍。同时，气体也会为潜伏在两个星系中心的超大质量黑洞提供新鲜的＂燃料＂。如今保持安静的黑洞届时会长大，同时爆发性地释放出高能粒子和辐射，亮度很容易就会超过两个星系中所有恒星的总和。再过1亿年左右，两个超大质量黑洞将互相绕转不断靠近，进而合并成为一体，向全宇宙发出强烈的引力波。
　　这样的过程如今正在宇宙中各个角落发生着，且在宇宙早期更加普遍。尽管过程绚烂，但星系之间的碰撞其实并不是严格意义上的＂碰撞＂。星系内部大多是空旷的空间，像银河系这样的星系大约有3000亿颗恒星，每两颗之间平均距离约5光年。换句话说，虽然星系合并能释放出巨大能量，甚至能扭转星系的生命历程，但在这一宏大事件中，星系中大多数恒星也只会彼此擦肩而过。
　　然而，星系的连环＂相撞＂是如此迷人，也如此重要。通过研究其他星系的合并，我们可以预见银河系的未来，可以预言银河系与仙女座星系合并时太阳系会发生什么。它会被恒星形成带来的爆发吹得分崩离析，还是会被混乱的引力甩出银河系？除此之外，研究星系合并还有助于我们了解宇宙历史，因为在宇宙更年轻、密度更大时，星系的碰撞更为常见。
　　直到近期，天文学家还缺乏仔细观测和模拟碰撞星系的工具。其中大部分的物理过程都被厚厚的星际尘埃所掩盖，即便使用最强大的望远镜也难以通过可见光观测。但是，借助现有和筹建中的全新望远镜，我们有机会回答关乎星系合并的一系列重大问题，例如在星系碰撞的过程中新一代的恒星是如何诞生的，以及中心黑洞的生长和最终合并所释放的辐射如何影响合并形成的新星系。
　　星系连环＂相撞＂
　　近一个世纪前，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）发现，天空中许多当时被称为＂星云＂的发光斑点并不在银河系内，而是独立的＂宇宙小岛＂。哈勃将这些＂河外星云＂分为三类：球形或椭球形的（椭圆星系）；扁平的、有时甚至有棒状结构的圆盘，还有一个中心核球的（漩涡星系，比如银河系）；以及畸形的（不规则星系）。
　　实际上，一小部分不规则星系是高度扭曲的星系对，或星系群。在哈勃公布自己发现之后的几年里，帕洛玛天文台的哈尔顿·阿尔普（Halton Arp）等先驱对这类＂相互连接的星系＂进行了详细的研究。阿尔普在1966年出版了《特殊星系地图集》（Atlas of Peculiar Galaxies），其中由照相底片制作的长曝光图像清楚地显示了这些星系扭曲的形状，我们现在认为这些形状正是合并星系的特征。上世纪70年代，尤里·图姆尔（Juri Toomre）和阿拉尔·图姆尔（Alar Toomre）两兄弟使用计算机模拟了简单盘状星系在束缚轨道和抛物线轨道上的相互作用，重建了数个观测到的特殊星系的形状——尤其是复原了那些在合并过程中被抛射到很远的恒星轨迹。这一工作及一系列早期数值模拟的结果表明，阿尔普和其他人发现的那些不寻常的壮观星系特征完全可以由引力的相互作用来解释。夏威夷大学的约书亚·E.巴恩斯（Joshua E. Barnes）等人领导的团队使用最先进的计算机模拟，进一步分析了星系相互作用的多样性以及其在星系生命周期中的重要性。
　　1983年，红外天文卫星（IRAS）发射升空。这颗卫星拍摄了第一张全天远红外图像，这极大促进了对隐藏在尘埃背后的宇宙的研究，尤其是星系合并。IRAS观测的波段对尘埃温度很敏感，因此易于区分较热和较冷的尘埃辐射。星系中的星际尘埃是恒星诞生的温床。在正常的星系中，恒星主要诞生于分子氢和尘埃组成的云团中。而随着恒星的演化和死亡，核聚变在其内部产生的碳和氧元素等重元素会释放出来，形成尘埃，从而使周围的云层中更富尘埃。（已经存在于分子云中的尘埃是先前恒星残留下来的。）在碰撞星系中，这个过程则处于加速状态——星系并合将气体和尘埃聚集到致密区域，导致名为星暴的爆发性恒星形成过程，进而产生更重的元素和尘埃。尽管年轻的大质量恒星以短紫外线辐射释放大部分能量，但实际上很少能真正抵达地球，周围的尘埃颗粒吸收紫外线并重新发射出红外辐射。配备有灵敏红外探测器的望远镜可以测量这种辐射，使我们能够穿过尘埃的面纱， 窥视并研究恒星诞生的最早阶段和超大质量黑洞的生长过程。
　　IRAS在银河系和数以千计的其他星系中探测到了许多这样的恒星摇篮，从两个重要的方面大大提高了我们对于星系合并的理解。首先，IRAS准确测量了这些天体内部产生的能量，并表明合并星系是宇宙中最亮的天体之一。第二，IRAS根据红外辐射探测到的碰撞星系跨越了较大的距离尺度，为我们提供了首个宇宙时标上的星系并合普查。其中一些碰撞距离地球很遥远，那里的光甚至是在宇宙只有当前年龄的五分之一时发出的。在一些合并星系中，超过90%的能量从远红外波段发出，光学望远镜完全无法看清它们的真实面目。
　　IRAS向我们证明，过量红外辐射是寻找相互作用和合并星系的绝佳方式。尤其是它发现了一类被称为亮红外星系（LIRG）的星系。这些星系在远红外的光度超过太阳的1000亿倍（大约是银河系所有恒星总能量输出的3倍），通常被认为是合并星系。更为罕见与壮观的是极亮红外星系（ULIRG）。这些星系的远红外光度甚至是太阳的10000亿倍以上，它们几乎总是与剧烈的星系碰撞相关。
　　上世纪80年代末，科学家在解释合并星系核心的物理过程上迈出了重要一步，他们将合并星系与另一类称为类星体的天体联系起来，而后者被认为由活跃的超大质量黑洞供能。类星体是宇宙中最高能的天体，其亮度可达太阳的10000亿倍以上。戴维·桑德斯（David Sanders）当时是加州理工学院的博士后研究员，他与同事合作，提出ULIRG星系是介于星系合并和类星体之间的早期尘埃笼罩阶段。他们的研究表明拥有活跃中心黑洞的星系通常看起来更加扭曲，这可能与其经历过星系合并相关。
　　强大的亮红外星系和类星体之间可能存在的联系，为这两种看似非常不同的天体提供了一个可以测试的演化模型，并引出了更多对这两类天体关系的研究。科学家通过一个构架把亮红外星系、强大的星暴星系、活跃的星系以及类星体联系起来，重新唤起了人们对星系合并如何在宇宙时间尺度上影响星系演化的兴趣。由于宇宙历史上恒星产生的光有一半都被尘埃重新＂加工＂成远红外辐射出去，因此星系合并对于宇宙演化的作用可能至关重要。
　　雄伟的目标
　　2004年，我们两人和合作者发起了大天文台全天LIRG巡天计划（GOALS计划），使用美国航空航天局3台杰出的望远镜：斯皮策空间望远镜、哈勃空间望远镜和钱德拉X射线空间望远镜收集碰撞星系的图像和光谱。这些望远镜提供了星系合并生命周期的多波段图像。GOALS样本涵盖总共两百多个邻近宇宙中最亮的亮红外星系，都在13亿光年之内，实现了迄今为止最详细的邻近宇宙亮红外星系研究。
　　我们的团队还使用地面望远镜，例如墨西哥州的甚大阵（VLA）、加利福尼亚州帕洛马山的黑尔200英寸望远镜、夏威夷10米口径的凯克望远镜和智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米干涉阵列（ALMA）。我们还用欧洲的远红外赫歇尔太空望远镜和美国航空航天局（NASA）的NuSTAR X射线望远镜收集数据。
　　GOALS已经在诸多问题上显著提升了我们对碰撞星系的理解。例如一个老生常谈的问题，到底是新形成的年轻恒星还是活跃的黑洞活动对合并星系辐射的贡献更大？有一种在星系合并生命周期的不同时间区分它们各自贡献的方法，就是查看两种天体的能量分布。恒星通常是简单的黑体辐射——它们所辐射的能量的峰值完全取决于它们的温度，并且其能量输出在波长较短和较长的部分都迅速下降。相比之下，黑洞周围吸积盘黏稠且炽热，温度从外侧到黑洞的事件视界面逐渐升高。吸积盘辐射的能量分布会宽得多，高能辐射的比例也比恒星大得多，而且它可以加热和电离（剥离电子）周围气体中的各种元素。在星系光谱中发现的高度电离元素的宽发射线是一个确凿的证据，表明有一个吸积气体的超大质量黑洞埋藏在星系中心。
　　对LIRG整体而言，星暴似乎是比黑洞更重要的能源。GOALS中大约五分之一的亮红外星系拥有活跃的超大质量黑洞，但即使在这些星系中，也只有一半由黑洞贡献了主要的红外辐射。不过，我们可能会遗漏一些被尘埃掩埋的活动黑洞，它们在红外波段也无法识别，由GOALS团队的两队成员领导的团队正在详细研究这一现象。此外，我们发现的活跃黑洞倾向处于合并生命周期的晚期，这表明大部分超大质量黑洞的增长可能滞后于恒星形成，让星暴有更多时间贡献总能量。或者，正如GOALS团队成员安妮·梅德林（Anne Medling）对一些LIRG做的高分辨率红外观测所表明的那样，一些黑洞也可能提前生长。恒星和中心超大质量黑洞在星系内生长的精确时间尺度是当前大量研究的主题。科学家正试图了解过去20年中最深奥的谜团之一：为什么超大质量黑洞与其宿主星系核球中恒星的质量比基本上总是等于1比1000。
　　新视野
　　近期的其他项目揭示了关于LIRG以及碰撞星系中恒星形成过程的新线索。例如，空间望远镜科学研究所的GOALS成员克尔斯滕·拉森（Kirsten Larson）等研究人员，通过观测对被大质量恒星加热的气体发现，LIRG中的大部分恒星形成于极其致密和高能的星暴区域。这些区域的恒星形成率和气体的密度比我们在正常星系中发现的高10倍或更多。在合并过程的早期，最活跃的恒星形成区往往位于LIRG核区之外的区域；然而随着星系继续合并，主要的星暴区域是那些合并星系的核区以及周围的致密团块，可能是因为原本在旋臂中的气体在引力作用下流向中心。
　　有趣的是，在能量最高的并合后期，分子气体中心密度非常高，以至于它们不再是连续分布的，而是开始形成巨大的、相互分离的分子云。一个典型例子是距离我们最近的极亮红外星系Arp 220，它距离我们2.5亿光年。中国台湾＂中央研究院＂的坂本和志（Sakamoto）等人采用ALMA阵列精细地绘制了该星系中心的分子气体图像，显示这个不大于3000光年的区域内，包含了数倍于银河系的分子气体。
　　尽管星系合并是强大的恒星工厂，但在碰撞中形成的星团实际上可能寿命短得惊人。利用哈勃太空望远镜的数据，斯德哥尔摩大学的安吉拉·阿达莫（Rupali Chandar）等人发现，星团数量随着星团年龄急剧下降。这表明大量的星团实际上在其合并星系诞生不久后就将瓦解。碰撞增强了恒星形成，但潮汐力以及星团内部的超新星风很容易将它们撕裂。
　　正如同恒星演化阶段的末期，星团中的气体可以被清除一样，合并本身也会成为超新星和中心超大质量黑洞活动反馈过程的牺牲品，这将对合并星系的进一步演化产生深远的影响。赫克曼和他的合作者在上世纪90年代初期首次研究了来自合并星系的大量电离气体流。他们在一些低红移的LIRG和ULIRG中发现了强烈的电离气体流（它也被称为超级风）。随后针对这种热原子气体的研究表明，超级风不仅在这些星系中很常见，而且其中速度最快的可以把合并星系中的气体驱散。加利福尼亚大学欧文分校的GOALS团队成员梅德林等人通过凯克望远镜观测到了热气体产生的喷流和气泡，标志着星系核区将能量注入星系并驱动外流。
　　星系超级风是多相的，这意味着它们可以同时包含热的原子气体和冷的分子气体。在研究超级风中的稠密分子气体时，往往发现有大量的冷气体从合并的星系向外流出。这些外流可以轻松延续6万光年，有时携带的气体比在星系核区中形成恒星的气体还多，大幅掠夺了星系用以持续制造恒星的燃料。同等重要的是，这些风可以将重元素（金属）和尘埃送入星际空间。在几乎所有的情况下，外流似乎都起源于星系合并的核心附近，受到超新星、辐射压力和来自星系中心超大质量黑洞的喷流（快速气体柱）的综合影响。
　　太空巨眼
　　已经发射的韦布空间望远镜将会极大地扩展我们对宇宙不同时间阶段星系并合的理解。这台口径为6.5米的红外望远镜于2021年底升空。韦布望远镜是IRAS红外望远镜（上世纪九十年代）和斯皮策太空望远镜（于2020年退役）在科学上的继任者。但是韦布的灵敏度将比斯皮策至少高50倍，空间分辨率将增加近10倍，足够在光谱的近红外和中红外部分提供清晰的星系图像。它同时还将携带成像光谱仪，可以在一次指向中生成数百个光谱。这种能力让它可以精细绘制恒星形成区域和活跃吸积的超大质量黑洞附近的区域。
　　GOALS合作项目将观测附近的四个亮红外星系，作为韦布望远镜早期发布科学计划的一部分。其他研究人员将使用这台望远镜观测附近明亮的活动星系和遥远的类星体。GOALS的早期观测目标包括具有强大星暴和活跃中心黑洞的星系。这些星系都处于合并的＂阵痛＂之中，并且都在释放着强大的外流，它们是了解这些物理过程如何在宇宙早期运作的宝贵实验室。除了早期发布的项目之外，韦布的第一个通用观测器周期还选择了几个项目，用于检验来自年轻星团和活动黑洞反馈、光学波段看不到的恒星形成活动所占的比例，以及LIRG星系中被遮蔽的核区的本质。
　　下一代甚大阵将会取代现有的由27个天线组成的甚大阵。这个由263面天线构成的射电和亚毫米波段的干涉阵列将观察恒星形成区域、活动黑洞和正在爆发的恒星，其灵敏度和分辨率将会是原来的10倍。
　　总而言之，这些强大的新一代望远镜将会揭示近邻和早期宇宙星系合并过程中的天体物理过程。高分辨率的数值模拟和这些全新的观测技术结合，能帮助我们理解物理反馈过程是如何调节合并星系中的恒星形成和黑洞生长的。随着在宇宙更遥远的地方发现更多奇特的天体，我们将继续使用这些全新的工具来更好地了解星系如何诞生和演化。
　　（Scientific American 中文版《环球科学》授权发表，许峰玮翻译，于清娟审校）
　　亚伦·S.埃文斯（Aaron S. Evans） 李·阿姆斯（Lee Armus）