星系是如何成雙成對的？_風聞

【沈世銀，上海天文台研究員，主要從事星系領域的統計研究工作，在郭守敬望遠鏡巡天中負責補充星系樣本相關的科學研究】

與銀河由恆星所組成相對應，對於可見的宇宙來説，星系是其基本的結構單元。由於恆星是在破碎的分子云中所形成，很多恆星在誕生的一刻就是成雙成對的，即我們所説的雙星。

但對於星系來説，由於大尺度的結構形成是自下而上的，基本上不會有星系形成於“雙胞胎”之中。但是，在長程的引力作用下，星系會在宇宙的演化過程中相互靠近，並形成引力上相互束縛的雙星系系統。我們的銀河系和仙女座大星雲在未來就將如此。

在觀測上，這些雙星系系統構成了我們常説的星系對（圖1）。物理上，星系對中的星系會經歷複雜的相互作用，最終合併成一個新的星系。在20世紀70年代Toomre兄弟的一項重要研究之中，他們通過簡單的數值模擬發現，兩個旋渦星系在引力的相互作用下會形成和“天線星系”非常相似的潮汐尾，並最終形成一個橢圓狀星系（圖2）。這個重要發現開啓了星系演化過程中的一個重要研究方向：星系的併合過程。

圖1 著名的相互作用星系對Arp87（NGC3808），該星系位於獅子座，最早由著名天文學家威廉*赫歇爾所發現

圖2 Toomre 兄弟(1970)通過數值模擬首次發現兩個旋渦星系的併合過程中產生的潮汐尾（上）和“天線星系”（NGC4038）中的天線結構（下）非常相似

現代的更高精度以及考慮更復雜物理過程的數值模擬表明，星系的併合是一個很長時標的過程。從兩個星系成為引力上相互束縛的星系對開始到最終併合需要的時間長達10到20億年。在這個過程中，兩個星系大部分時間處於星系對的狀態。我們可以把這種星系對的狀態比喻為一場雙人舞，二位舞者之間存在着複雜而激烈的互動過程。

具體來説，成員星系的形態會由於引力的潮汐作用而發生顯著變化，星系內部的氣體會受到擾動而觸發更多的恆星形成。如果這些被擾動的氣體進一步流向星系中心的黑洞區域，還會觸發或增強星系核中的活動過程（參見圖3）。

圖3 數值模擬給出的星系對的併合過程。第一行給出的是星系對中星系形態的變化過程，下面的三行分別給出的是兩個星系之間的距離，星系中氣體的金屬丰度變化以及額外增加的恆星形成隨着時間的變化（圖片來自於Torrey et al. 2012年發表於ApJ的文章）

儘管這些數值模擬已經初步構建了一個星系併合過程的整體場景（見補充材料1），但是由於模擬不可能考慮所有的物理過程，真實的星系併合過程還有待觀測數據來進行進一步的驗證與探索。

和雙星不同的是，星系的繞轉以及併合時標對於人類來説太長了，我們沒有辦法通過觀測去追蹤任意一個真實星系對之間將要發生的物理過程。幸運的是，宇宙在對人類關上了“時標”這扇門的同時，打開了一扇“空間”的窗户。

如果能夠觀測到宇宙中大量的星系對樣本，那麼根據宇宙學原理，我們可以知道這些不同的星系對必然處於星系-星系併合過程中的不同狀態。也就是説，根據大樣本的星系對的統計描述，就可以在一定程度上反演出星系對的併合過程。

我們的研究正是基於這樣的統計原理揭示了星系對中星系的演化過程。這項研究基於目前天文學研究中最大的星系對樣本（參見補充材料2），通過構建二元光度函數的統計方法首次精確地刻畫了各種不同亮度的星系在概率上是如何成雙成對的（論文全文見補充材料3）。

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基於這種統計上的精確刻畫，我們的研究進一步解碼出了星系併合過程中發生的各種微妙的物理過程。首先，通過比較星系對中星系的行為與其舞伴的關係發現，星系—星系之間的雙人舞從相距50萬光年之遠開始進行。在更遠的距離上，兩個星系可能看上去像個星系對，但是它們之間卻毫無相互影響，它們各自的行為完全是一場“單人show”。

在星系的雙人舞開場之後，這場華爾茲的時間取決於舞蹈中的兩位成員的“體重”。也許是因為舞蹈太過耗散能量，主導成員的質量越大，這場舞蹈的時間就越短。最後，在這場舞蹈的高潮階段，二位舞者迎來了各自的“高光時刻”，觸發了更多的恆星形成，這個“高光時刻”的時間可以達2億年之久。

這項統計研究所解鎖的信息，有一些和數值模擬的結果比較一致，比如星系“高光時刻”的時間長度；有一些和數值模擬的結果相近但卻不完全一致，比如星系雙人舞的總時間長度；還有一些簡單結論（比如星系雙人舞開始時之間的距離）則給未來的觀測和理論研究提供了更好的參照。

要想進一步解鎖星系併合過程，我們還需要更多更好的觀測數據，比如更深的圖像曝光可以直接揭示星系雙人舞之間是否存在一些隱秘的物質交流？不管觀測數據如何，人類的時標實在太短，要想完全捕捉星系併合過程，我們只有依賴無限宇宙中的各種截圖，依據這些截圖和我們的大腦，我們最終才有望欣賞一部完整的真實而絢麗的星系華爾茲。

補充材料：

1. 星系併合過程的數值模擬電影可參見https://vimeo.com/22304584。

2. 對於星系對中兩個靠得很近的星系來説，單一的光纖光譜巡天由於光纖碰撞通常只能觀測其中一個星系，剩餘的另外一個星系只能由其它的觀測所補充。郭守敬望遠鏡巡天中的一個重要的觀測樣本就是對斯隆數字巡天中由於光纖碰撞效應而遺漏的星系進行補充觀測。因此，這二者的結合構成了目前為止最大的星系對的觀測樣本（圖4），從而為這項大樣本統計研究奠定了基礎。

圖4 一個典型星系對的觀測和證認過程。其中，兩個星系的光譜觀測先後由斯隆數字巡天（藍色）和郭守敬望遠鏡（紅色）完成。只有同時獲得兩個星系的紅移（距離），才能最終證認這兩個星系是在空間中是真實的成對還是由投影效應所造成。