亚伦·S. 埃文斯 李·阿姆斯
50亿年后，我们的银河系注定会和仙女座星系发生碰撞。通过观测宇宙中其他星系的碰撞过程，天文学家对星系碰撞有了一定的了解，还能据此预测银河系的未来。
50亿年后，我们的银河系注定会和仙女座星系发生碰撞。通过观测宇宙中其他星系的碰撞过程，天文学家对星系碰撞有了一定的了解，还能据此预测银河系的未来。
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——仙女座星系发生碰撞。随着两个星系在引力作用下近距离交会，星系中的恒星将被剥离，绘制出壮丽的尾迹。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3/4宇宙年龄的宏伟旋涡结构。
最终，星系中心也会合并，气体涌入核区中心，这一过程将加速恒星的形成，导致合并的星系中恒星的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，届时会变大，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不断靠近，进而合为一体，向全宇宙发出强烈的引力波。
这样的过程如今正在宇宙的各个角落发生着，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”。星系内部空间空旷，像银河系这样的星系大约有1500亿～4000亿颗恒星，每两颗恒星之间的平均距离约为5光年。换句话说，虽然星系合并能释放出巨大的能量，甚至能扭转星系的生命历程，但在这一宏大事件中，星系中的大多数恒星也只会擦肩而过。
星系的连环“相撞”如此迷人且重要。通过研究其他星系的合并，我们可以预言银河系的未来，可以预言银河系与仙女座星系合并时太阳系会发生什么。它会因恒星的形成而分崩离析，还是会被混乱的引力冲出银河系？除此之外，研究星系的合并还有助于我们了解宇宙的历史，因为宇宙在更年轻、密度更大时，星系的碰撞更为常见。
在这之前，天文学家缺乏观测和模拟星系碰撞的工具，即便使用最强大的望远镜，星系碰撞的大部分过程也都因星际尘埃的掩盖而无法观测到。但是，借助正在筹建的全新望远镜，我们将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”
约一个世纪前，美国天文学家哈勃发现，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、有时呈现棒状结构且拥有一个中心核球的（旋涡星系，比如银河系）；
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。在哈勃公布自己發现之后的几年里，美国帕洛马山天文台的哈尔顿·阿尔普等先驱对这类“相互连接的星系”进行了详细的研究。阿尔普在1 9 6 6年出版了《特殊星系图集》，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，现在的天文学家认为这些形状正是合并星系的特征。
20世纪70年代，英国天体物理学家尤里·图姆尔和阿拉尔·图姆尔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。美国夏威夷大学的约书亚·E. 巴恩斯等人领导的团队使用最先进的计算机模拟并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，第一颗红外天文卫星（IRAS）发射升空并对9 6% 的天空进行了远红外测量，这极大地促进了科学家对隐藏在尘埃背后的宇宙尤其是星系合并的研究。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，恒星主要诞生于由分子氢和尘埃组成的云团中。而随着恒星的演化和死亡，其内部因核聚变而产生的碳和氧元素等会被释放出来并形成尘埃，从而使周围云层中的尘埃更多。在碰撞星系中，这个过程则处于加速状态——星系合并后，气体和尘埃会聚集于致密区域，导致名为星暴的爆发性恒星形成，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出大部分能量，但实际上只有很少一部分能量能真正抵达地球，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观察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。第一，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合并普查。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1/5时发出的。在一些合并星系中，超过9 0% 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。这些星系的远红外光度超过太阳的1000亿倍，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），它们的远红外光度甚至是太阳的1万亿倍以上。
20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被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1万亿倍以上。戴维·桑德斯是当时美国加州理工学院的博士后研究员，他与同事合作，提出ULIRG 星系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有关。
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”成远红外线辐射出去，因此星系合并对于宇宙演化的作用至关重要。
雄伟的目标
2004年，笔者和合作者发起了大天文台全天亮红外星系（LIRG）巡天计划（GOALS），使用美国航空航天局（NASA）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样本涵盖了20 0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。
我们的团队还使用了多种地面望远镜及欧洲的远红外赫歇尔太空望远镜和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藏在星系中心。
对LIRG而言， 星暴似乎是比黑洞更重要的能源。GOALS中大约1/5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1/2 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跃黑洞，它们在红外波段无法被识别。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的形成，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∶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，美国空间望远镜科学研究所的GOALS 成员克尔斯滕·拉森等研究人员通过观测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。在星系合并过程的早期，最活跃的恒星形成区往往位于LIRG 核区之外的区域。随着星系的继续合并，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，在能量最高的合并后期，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。一个典型的例子是距离地球2.5亿光年的极亮红外星系Arp 220。来自中国台湾的几名研究员采用ALMA 阵列精细地绘制了该星系中心的分子气体图像，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。瑞典斯德哥尔摩大学的安吉拉·阿达莫等人通过哈勃空间望远镜观测发现，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瓦解了。碰撞加速了恒星的形成，但潮汐力以及星团内部的超新星风很容易将它们撕裂。
如同恒星演化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影响。赫克曼和他的合作者在20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（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，而且速度最快的超级风还可驱散合并星系中的气体。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和尘埃送入星际空间。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
已经发射的詹姆斯·韦布空间望远镜将会极大地扩展人类对宇宙不同时间阶段星系合并的理解。这台口径为6.5米的红外望远镜于2021年年底升空，灵敏度和空间分辨率更高，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4个亮紅外星系作为詹姆斯·韦布空间望远镜早期发布科学计划的一部分。其他研究人员会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，并且都在释放强大的外流，它们为了解这些物理过程如何在宇宙早期运作提供了宝贵的经验。除了早期发布的项目之外，詹姆斯·韦布空间望远镜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。
下一代甚大射电望远镜阵列将会取代现有的由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星系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，能帮助人类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，人类将继续使用这些全新的工具来更好地了解星系的诞生和演化过程。
本文转自《南方周末》
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