星系的碰撞与合并(选自天文爱好者2001年第三期)

释放双眼,带上耳机,听听看~!

晴朗的夏夜,在远离灯光与大气污染的地方,仰望星空,你总能看到一条乳白色的模糊光带从东北向西南穿过天空,这就是银河。用一架小型望远镜就可以发现,这条光带实际上是由成千上万的恒星组成的,它们,包括我们的地球和太阳,共同组成了我们所在的星系—银河系。在宇宙中,像我们银河系这样的天体数以亿计,它们大小不一,形态各异,是大尺度结构下宇宙的基本构成单元。

星系的数目多了,相互之间就难免会碰撞。诚然,星系之间的距离都非常遥远,相对运动速度又不大,似乎很难走到一起;但是星系之间的平均距离(约2百万光年)与星系的平均尺度(约10万光年)之比为20比1(对于恒星来说,这个比值约为3千万比1),在星系团中,这个比值还会更小,再考虑到宇宙一百几十亿年的漫长历史,在其间发生星系之间的相互碰撞是完全有可能的。事实上,天文观测和理论研究都表明,星系的相互作用、碰撞与合并不仅是宇宙中一种很普遍的现象,而且是星系形成与演化中的一个重要环节。

按照其形态,星系可以分为漩涡星系、椭圆星系和不规则星系三大类。漩涡星系有明显的星系核,从核的两端向外伸出两条(或多条)螺旋形的旋臂;椭圆星系以其椭球状的形态而得名;而不规则星系的形状并不规则,没有明显的核跟旋臂,也看不出盘状的对称结构。习惯上把椭圆星系叫做早型星系,把漩涡星系叫做晚型星系。在宇宙大爆炸之后,椭圆星系是否真的是在漩涡星系之前生成?大多数天文学家并不这样认为。传统的观点认为,两类星系都是在宇宙大爆炸后几亿年开始形成,椭圆星系脱胎于非旋转气体云,恒星很快形成,大多数大质量恒星很快爆发成为超新星;而漩涡星系脱胎于旋转气体云,由于外围气体的快速旋转,它们很难坍缩变成恒星,于是恒星形成就被延缓,并一直持续至今。

相互作用或合并星系是指那些处于相互作用或合并中的普通星系。在观测上,相互作用的两个或多个星系往往靠得很近,它们之间往往有“物质桥”连接,当然,它们的红移必须相同或者相近,否则按照宇宙学红移的观点,它们在天空中视位置的靠近只是一种投影效应,就像一个行星和它附近的某个恒星一样,两者之间根本没有任何联系。而碰撞或合并星系一般表现为星系中有两个或多个星系核,往往还能观测到从星系向外扭曲伸展的所谓潮汐尾巴,这是由于在相互作用与合并的过程中,星系的旋臂或其他物质受潮汐引力的作用而形成的。另外,有些星系的外围还观测到有几圈物质环围绕,就像是从星系向外扩展的波纹;还有些星系有所谓的“极环”,也就是穿过星系两极的物质环。这些一般都被认为是星系合并的产物。实际上星系的相互作用与合并,在天文学上并不做严格区分,它们也是一个连续性的过程:相互作用→靠近→相互绕转与掠过→碰撞与合并。

提到星系的相互作用与合并的观测,就不能不提到美国天文学家阿尔普(Arp),阿尔普以反对宇宙红移学说而闻名,他通过寻找高红移和低红移天体成协的例子为自己的论点提供佐证。且不论这些成协的天体是否证明了他的观点,但他至少为其他天文学家提供了一个观测和研究星系相互作用与合并过程的极佳样本。他在1966年发表的《特殊星系图集》,以他的名字命名的Arp220、Arp302等天体成为了研究星系相互作用与合并的经典天体。

两个星系相互碰撞时会发生什么?前面讲过,恒星之间的平均距离是其直径的约3千万倍,当两个星系发生碰撞时,这个数字也是变化不大,换句话说,当星系发生碰撞时,它们只是彼此平滑地穿过对方,恒星之间发生直接碰撞的概率微乎其微;真正发生碰撞的是星际尘埃和气体云,它们体积巨大,可以填满恒星之间的空间,当两个星系的星际气体云和尘埃之间发生相互碰撞时,必然造成彼此速度减慢,其结果之一就是,在引力的作用下,这些气体云坍缩形成恒星,使得恒星形成的过程加快,从而演化到椭圆星系的情形。天文学家施韦策(Schweizer)对NGC7252的观测证实了这一点。NGC7252的星系盘的形状很不规则,到星系中心不同距离的物质作绕转运动的方向甚至完全不一样,即它不可能从单块气体云中形成;在它的外围还有波纹状的物质和两条长长的潮汐尾巴。合理的推论是:这是两个质量相当的漩涡星系碰撞之后的产物。令人惊奇的是,NGC7252的表面亮度分布遵从椭圆星系的表面亮度分布规律。施韦策等人认为,NGC7252正处于向椭圆星系演化的中间阶段,即两个漩涡星系碰撞后合并成一个椭圆星系。实际上,前面提到的波纹状物质环总是在椭圆星系周围发现。施韦策等人的研究为星系的形成与演化提供了一种新思维。

当星系的碰撞导致气体云的运动速度减慢、使得它们失去了围绕原星系中心的角动量时,还可能导致另外一种后果,即气体云大量向碰撞后的引力中心聚集,从而触发大规模的恒星形成,产生了所谓的星爆现象,此时的星系也变为星爆星系。红外天文卫星(IRAS)上天之后发现了大量的星爆星系,数以百万计的新生恒星正在这些星系的核心附近形成,发出极强的紫外线和可见光;但这些新生恒星被大量的星际尘埃和气体所包围,这些尘埃和气体几乎吸收了所有的紫外线和可见光,再将其转化为红外光并且辐射出来,从而使得这些星系被IRAS探测到。观测表明,这些星爆星系的大部分是处于相互作用和合并中的星系,合理的解释是:正是星系的相互作用与合并导致了大规模的恒星形成。

计算机模拟也被引入到星系的碰撞与合并的研究中,首开先河的是美国的天文学家图默(Toomer)兄弟,他们于1972年用计算机模拟了两个星系碰撞和合并的过程,所得到的结果与观测符合得极好。基于他们自己的工作,他们还首先提出了星系的相互作用与合并有可能解释活动星系核(AGN)的起因:大多数星系中心可能存在休眠状态的黑洞,由于这些黑洞已将其周围的物质吞噬殆尽,没有了“燃料”,它们就处于休眠状态;星系的相互作用与合并使得失去了角动量的气体和尘埃被黑洞的引力所捕获,于是它们重新开始吸积物质(同时,两个星系黑洞的合并会导致更大质量黑洞的生成),从而触发活动星系核现象。这是一种完全合理的想法。他们提出这一设想时,离天文学家发现类星体只过了不到十年时间。近年来,超级计算机模拟的结果也显示了星系的相互作用与合并是如何使气体失去角动量并且向引力中心聚集、从而触发大规模的恒星形成或类星体现象的。而在实际观测中也发现,许多的赛弗特星系和类星体(最典型的两种活动星系核)都处于相互作用或合并的系统中,这证明了活动星系核同星系相互作用与合并现象之间的联系。当然,也有相反的例子,如不是所有的活动星系核都处于相互作用与合并系统中,有些处于强烈相互作用与合并的系统并未显示星爆或活动星系核现象,等等。

从大尺度结构的意义上来说,星系是宇宙的基本组成单元。宇宙大爆炸之后,星系是如何形成与演化的?这是一个还没有最终答案的问题。两个漩涡星系合并成一个椭圆星系、星系的相互作用与合并引发星爆星系或活动星系核现象,这些理论与目前的大部分观测事实符合得比较好,为星系形成后的演化提供了几种思路,但一些反面的观测事实也说明,它们的真实性还有待于进一步观测和理论研究的检验。

(作者:国家天文台 吴江华)

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