我们的星系正处于碰撞轨道上。而这并非第一次发生

本故事最初发表在我们的2022年3月/4月刊上。点击此处订阅阅读更多类似故事。

在我们周围，恒星和星系的移动速度在人类的时间尺度上似乎慢如冰川。它们的舞蹈极其缓慢，历时数十亿年。但如果我们能以恒星的方式看待时间，我们银河系周围的邻域会显得异常活跃。

星系们相互环绕，缓慢地螺旋靠近，直到最终合并。许多星系并非独自旅行，而是带着同伴一同前来，在一场黑暗的碰撞中，一些恒星可能被从其家园的核心撕裂，散布于天际。另一些区域则变得富含气体和尘埃，并在这份新获得的丰饶中，开始孕育新的恒星。星系的舞蹈缓慢而猛烈，充满了生与死。

银河系驱动着被称为本星系群的超过100个星系的运动。在这个星系群中，只有仙女座星系比银河系更大——质量大约多出125%——并且和我们的星系一样，它也呈螺旋状。另外两个较小的星系十分突出：一个是围绕仙女座星系舞动的三角座星系，另一个是环绕银河系运行的大麦哲伦星云（LMC）。邻域的其余部分主要由这对星系的卫星星系填充，这些小星系如同崇拜的粉丝般盘旋左右。这些星系四处飞舞，但最终将与它们更大的同伴融合。当那发生时，将不会是我们的星系第一次撞上另一个星系。

远古遗迹

银河系在其生命早期，大约100亿年前，遭受了第一次重大碰撞。在此之前，它可能与一些较小的星系有过几次摩擦，但与一个被称为“盖亚-恩克拉多斯”的星系的剧烈撞击留下了永久的伤疤。很长一段时间里，这些伤疤被隐藏起来，它们的缺失曾让天文学家感到困惑。直到欧洲空间局的盖亚空间望远镜在历经多年的线索积累后，于2018年才将它们揭示出来。

“在盖亚数据发布之前，我们认为银河系是一个非常平静的星系，没有经历过剧烈的撞击，”意大利都灵天体物理观测站的天文学家埃洛伊萨·波吉奥（Eloisa Poggio）说。“情况比我们之前想象的要复杂得多。”

盖亚-恩克拉多斯是一个矮星系，比银河系稍小，撞向我们时大约有20亿年的历史。这次碰撞带来了深远的影响。银河系原本是一个粗短的盘状结构，碰撞将恒星从中抛出，形成了它的星系晕。之后，部分盘状结构变得不稳定，塌缩成一个棒状结构。随着时间的推移，一个新的薄盘形成了。当这一切尘埃落定后，银河系变成了一个完全不同的星系。

“这是银河系生命中的一个关键转折点，”瓦西里·别洛库罗夫（Vasily Belokurov）说，他是共同发现这一远古遗迹的两个团队之一的成员。“它在银河系中引发了一系列转变，将其塑造成了我们今天所知的样子。”

在接下来的数十亿年里，银河系保持着平静，偶尔吞噬一些卫星星系，但对较大的星系则敬而远之。这种情况在大约60亿年前发生了改变，当时人马座星系也隆重登场了。

人马座星系是一个椭圆星系，是银河系最近的邻居之一，它在与这个更大天体的相互作用中正走向痛苦的终结。人马座星系于1994年被发现，它环绕着银河系的两极螺旋运行，其质量比我们的星系小一百到一千倍。

2018年，科学家在银河系的盘面上发现了一个翘曲。大规模的扭曲——即恒星在引力作用下被推挤在一起的集合——在旋涡星系中很常见，而我们的翘曲在盘面中移动相对缓慢。翘曲可能是由星系内部的相互作用形成的，但其运动方式表明它源于外部。“唯一能解释如此大进动（precession）的可能模型是与一个卫星[星系]的相互作用，”测量并追踪了该翘曲的波吉奥说。

但罪魁祸首是谁？虽然银河系的翘曲有可能是由大麦哲伦星云（LMC）引起的，但波吉奥认为人马座星系的影响可能更大，她正在努力证明这一点。证实她的理论需要进一步的模拟，她目前正在分析这些模拟结果。

人马座星系也在银河系中引发了一波波的恒星形成。研究人员发现了一些恒星形成区域，其时间与这个垂死星系的最近点（或称近心点）相吻合。引力相互作用将成堆的气体和尘埃推到一起，创造出适合恒星诞生的区域。荷兰卡普坦天文研究所的天文学家托马斯·鲁伊斯-拉拉（Tomás Ruiz-Lara）发现，大约在65亿、20亿和10亿年前曾出现过恒星形成的爆发期，并将每一次都与人马座星系的数次近心点穿越联系起来。

“主要的惊喜在于，如此小的一个天体竟然能造成所有这些影响，”鲁伊斯-拉拉说。“人马座星系在我们星系的起源和演化这部电影中扮演着一个重要角色。”

前方的毁灭

人马座星系并不是唯一准备撞向银河系的星系。本星系群中第四大天体——大麦哲伦星云（LMC），正在缓慢地向我们螺旋靠近。几十年来，天文学家一直认为这个巨大的不规则星系和它较小的表亲——小麦哲伦星云（SMC），已经环绕银河系运行了好几圈。但在2007年，天文学家利用哈勃空间望远镜证实，这对星系正进行它们的首次靠近。

尽管大麦哲伦星云在未来20亿年内不会与我们合并，但它的存在感已经显现。因为它质量巨大，不仅大麦哲伦星云被银河系吸引，

大麦哲伦星云被银河系吸引，银河系本身也被大麦哲伦星云拉扯。作为一个物质集合体而非固体，银河系在不同区域对这种相互作用的反应也不同。内核晕和恒星盘正被大麦哲伦星云拖拽，而外核晕的物质则移动不多。“这完全是一团糟，”别洛库罗夫说。

与人马座星系不同，大麦哲伦星云并非孤身前来。除了小麦哲伦星云，大麦哲伦星云似乎还带来了自己的卫星星系。“那些卫星星系正搭便车而来，”加州大学伯克利分校的天文学家埃克塔·帕特尔（Ekta Patel）说。帕特尔研究了本星系群中几个较小的星系，发现有六个似乎与麦哲伦星云有关——至少目前是这样。未来银河系与大麦哲伦星云的碰撞可能会导致它们与大麦哲伦星云脱离。到那时，它们可能会随大麦哲伦星云一起坠入银河系，也可能会被甩到一个新的轨道上飞走。

与大麦哲伦星云的碰撞可能会让银河系更像其他的旋涡星系。如今，银河系的超大质量黑洞比其他同等大小星系的黑洞小得多。环绕星系的恒星晕质量轻且金属含量低。而且对于类似的旋涡星系来说，大麦哲伦星云是一个异常大的卫星。所有这些很可能都是我们星系经历过异常平静时期的迹象；大多数星系都经历过不止一次重大的合并，而银河系迄今只与盖亚-恩克拉多斯发生过冲突。“从那以后，几乎什么都没发生过，”荷兰莱顿天文台的天文学家马里乌斯·考通（Marius Cautun）说。

在2019年的一篇论文中，考通和他的同事模拟了即将到来的与大麦哲伦星云的碰撞将如何改变银河系。我们星系黑洞的大小应该会增长到八倍大。来自坠入星系的恒星，以及从银河系盘面被拉出的恒星，应该会充实恒星晕并增加其金属丰度。碰撞结束后，银河系应该会变得不那么独特，而与其他星系更具可比性。

也许银河系邻域中最著名的碰撞尚未发生。巨大的仙女座星系，也被称为M31，将在大约40亿年后与我们相撞。虽然这一事件早已被怀疑，但直到2012年，科学家们才利用美国国家航空航天局（NASA）的哈勃空间望远镜，通过测量仙女座星系的横向运动来证实它。通过比较之前的观测数据，科学家们得出结论，仙女座星系正笔直地向我们移动。现在，利用盖亚望远镜的精确测量表明，这次撞击将是略微偏离中心的。

“无论是完全的正面碰撞还是更像擦肩而过，其实并不会影响最终结果，”空间望远镜科学研究所的天文学家罗兰·范德马雷尔（Roeland van der Marel）说，他领导了进行这两次测量的团队。最终结果将使这两个旋涡星系合并成一个球状的椭圆星系，几乎耗尽其所有用于恒星形成的气体。它们的超大质量黑洞将相互螺旋靠近，最终在新星系的中心合二为一，成为一个单一的巨兽。

碰撞！砰！

当大麦哲伦星云（LMC）和小麦哲伦星云（SMC）环绕银河系运行时，它们自身也正处于一场拉锯战中。2012年，亚利桑那大学的古尔蒂娜·贝斯拉（Gurtina Besla）是模拟大麦哲伦星云与小麦哲伦星云碰撞结果的团队成员之一。两年前，另一个团队对这对星系内部的大质量、炽热年轻恒星的观测证实了他们的模型——这两个星系仅在几亿年前发生过碰撞。

在2000年代之前，天文学家只知道银河系附近有少数几个卫星星系。随着数字巡天调查的出现，情况发生了变化。现在我们知道了数十个与我们星系相关的、更小的卫星星系，其中许多都极其暗淡。盖亚望远镜第二次数据发布使我们能够追踪这些卫星的运动。“盖亚太神奇了，因为它让我们能够追踪已知最暗淡星系中恒星的运动，”帕特尔说。“这是一个巨大的游戏规则改变者。”

这些小卫星星系的质量不到银河系的10%，因此它们被更大星系更强的引力所控制。当恒星被从这些星系中撕裂出来时，它们会形成恒星流，即横跨天空的恒星带。

仙女座星系自身也在经历一场持续的碰撞。邻域中第三大的三角座星系，目前正以与大麦哲伦星云坠入银河系非常相似的方式坠入仙女座星系。虽然射电望远镜在测量这个较小星系的运动方面做得很好，但盖亚望远镜不仅证实了这些测量结果，还提供了更多的见解。

“这有点令人惊讶，但似乎与观测结果最一致的情景是，三角座星系是第一次坠入仙女座星系，”范德马雷尔说，他使用盖亚望远镜测量了这个较小星系的运动。

然而，仔细一想，三角座星系和大麦哲伦星云之间的联系——两者都是首次接近比自己大约10倍的星系——并不像看起来那么令人惊讶，范德马雷尔说。目前对星系形成的理解是，较小的天体通过坠入较大的天体来使其增长。他说，更有可能发现一个相对质量较大的天体才刚刚开始与其母星系合并，而不是已经环绕它运行了数十亿年好几圈。这是因为较大的星系更有可能在几个周期内被吞噬掉。

星系的舞蹈可能需要数十亿年才能结束，但最终会将银河系及其邻居们合并成一个单一的恒星集合体。当音乐停止时，仙女座星系、银河系以及它们所有的卫星星系都将失去它们的螺旋结构和年轻恒星。剩下的将只是一个没有尘埃的星系中一群老化的恒星，享受着它金色年华的宁静。