20億年前那場星系間對決，它“吃掉”了入侵者_風聞
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距離我們“很近”的鄰居仙女星系，一直被認為和銀河系是姊妹星系，但越來越多的證據表明仙女星系的歷史更復雜，在恆星暈、恆星分佈和速度彌散等方面都與銀河系有顯著差異。而這一切，天文學家認為是仙女星系經歷了一系列戲劇性事件造成的。
撰文 | 肯·克羅斯韋爾（Ken Croswell）
翻譯 | 李海寧
巨大的仙女星系莊嚴而寧靜，統治着一個由附屬星系組成的龐大帝國，比如衞星星系M32和M33。我們的銀河系亦是如此。這兩個巨大的旋渦星系共同統治着周圍的星系：雖然本星系羣擁有一百多個星系，但其中大多數都是這兩個超級大國之一的衞星星系。而本星系羣那些閃閃發光的恆星絕大多數要麼在銀河系，要麼在仙女星系。
天文學家一直認為這兩個大星系是姊妹星系。但越來越多的證據表明，仙女星系的經歷要複雜得多。研究表明，除了仙女星系和銀河系之外，本星系羣還曾擁有另一個大型旋渦星系。大約60億年前，這個星系闖入仙女星系暗暈的邊界，隨後在20億年前墜入仙女星系的星系盤中。這個入侵者攪動仙女星系的氣體和塵埃的同時，也引發了新的恆星形成和超新星爆炸，照亮了仙女星系的整個恆星盤。
梵蒂岡天文台的理查德·德索薩表示，“仙女星系的吸積歷史與銀河系非常不同，它所吸積的物質比銀河系一生中吸積的還要多得多。”數十億顆來自入侵旋渦星系的恆星飛濺到仙女星系的恆星暈中。更重要的是，這個入侵星系的緻密核心可能以奇怪的橢圓星系M32的形式存留至今。“M32是一個非常奇怪的‘野獸’。”德索薩説，他認為M32的怪異性質源於它在這場鄰家大戲中扮演的角色。
不同的天體暈
儘管仙女星系距離我們很近——離地球只有250萬光年——但天文學家們也花了一些時間才意識到隔壁發生的一系列戲劇性事件。
圍繞着銀河系的螺旋狀銀盤（太陽所在的地方），彌散的銀暈里居住着古老的恆星。這些暈星的鐵和其他金屬含量比太陽低得多。由於它們的年齡很老，暈星記錄了我們銀河系的古代歷史以及原始宇宙的化學成分。儘管恆星暈很重要，但它只佔銀河系總恆星質量的一小部分，大約相當於10億個太陽，僅佔銀河系總恆星質量（600億個太陽質量）的2%。
古老，質量佔比低，且金屬含量低。多虧了蓋亞衞星，我們現在知道，銀河系的大部分恆星暈來自一個在80到110億年前撞向我們家園星系的星系。這個星系的恆星質量可能介於大麥哲倫雲和小麥哲倫雲之間——它們倆是目前繞銀河系運行的，最明亮的兩個星系。
但仙女星系的恆星暈並非如此。20世紀80到90年代，天文學家發現仙女星系的恆星暈富含金屬。甚至一些天文學家最初認為他們所看到的不可能是一個星系暈。
隨後的2001年，法國斯特拉斯堡天文台的羅德里戈·伊巴塔和他的同事在仙女星系的星系暈中發現了一條星流。“這是一條巨型星流，絕對是不尋常的。”法國巴黎天文台的弗朗索瓦·哈默也表示，“銀河系中雖然也有星流，但比這小得多。”
巨型星流延伸到仙女星系中心以南33萬光年的空間，是太陽到大麥哲倫雲距離的兩倍。這條星流中成員恆星的鐵氫比約為太陽的45%，相比我們銀河系的恆星暈富含更多的金屬，在我們銀河系中，這一比例通常只有1%到10%。
而且仙女星系並不只有這一條星流。“仙女星系的恆星暈要比銀河系的暈複雜得多，”哈默説。仙女星系的恆星暈所包含的恆星總量達到200億倍太陽質量，是銀河系的20倍。
不同的星系盤
德索薩説，接下來的十年見證了另一個變革性的發現。仙女星系再一次被證明與銀河系完全不同。
包括太陽在內的大多數銀河系恆星都屬於薄盤，這是一個薄餅狀的結構，佔據太陽附近從上到下2000光年厚的空間。這些恆星在銀盤面附近沿近圓軌道圍繞銀河系中心運行。雖然它們運動得很快，但由於開始時相對於彼此的速度較低，這就形成了所謂的低速度彌散。
但是，當薄盤恆星在太空中快速穿行時，它們會遇到旋臂和巨大的星際氣體雲，這些氣體雲的引力將恆星往上下左右前後推擠。因此，在漫長的時間裏，恆星越來越偏離它們圍繞銀河系中心的原始路徑，彼此之間獲得更大的速度，從而獲得更大的速度彌散。
銀河系也有一個更為古老的恆星盤——厚盤——它的恆星垂直於銀盤的距離是大多數薄盤恆星的三倍。因此，這些厚盤恆星具有更高的速度彌散。然而，在銀河系中，包括太陽在內的大多數盤星屬於薄盤，而不是厚盤。
仙女星系的情況卻並非如此。“仙女星系的星系盤完全沒有薄盤，”哈默説。“這是一個厚盤。”
這一發現要追溯到2015年，當時加州大學聖克魯斯分校的研究生克萊爾·多爾曼和她的同事觀測了仙女星系盤中恆星的多普勒頻移，通過這一頻移可以表明恆星靠近和遠離我們的速度有多快。雖然這些測量表明最年輕的恆星具有相當低的速度彌散，但令人難以置信的是，年齡超過20 億年的恆星具有非常高的速度彌散。這意味着它們必須在遠離仙女星系銀盤面的上方和下方隆起，形成一個厚盤。
仙女星系的恆星盤厚度約為5000光年，與銀河系的厚盤相當。但仙女星系厚盤上的年輕恆星表明，它的形成時間要比銀河系厚盤晚得多，僅僅誕生於20億年前。
此外，就在仙女星系被激發之際，一場恆星“野火”席捲了整個星系盤。“2015年左右，人們開始注意到，無論哈勃望遠鏡在哪裏觀測仙女星系，他們幾乎總能發現年齡在2億年到40億年之間的恆星數量過多。”主持了一項相關研究的華盛頓大學的本傑明·威廉姆斯這樣説道：在那個時候，仙女星系一定是一個奇觀，明亮的年輕恆星和超新星爆發在其星系盤上閃閃發光。
大星系入侵者
2018年，哈默和他的同事，以及德索薩和貝爾獨立提出了一個理論來解釋仙女星系的所有奇異特性：它巨大的、富含金屬的恆星暈，起伏膨脹的星系盤，以及20億年前發生的星暴事件。這個想法很簡單：一個大約有銀河系恆星質量40%的大星系在20億年前繞着仙女星系旋轉，然後撞到了仙女星系的星系盤上。
“觀測證據確實傾向於仙女星系可能經歷了一次重大併合事件。”空間望遠鏡科學研究所的卡羅琳·吉爾伯特補充説：這很令人驚訝，因為一次大碰撞可能會破壞仙女星系的星系盤。
根據這個新觀點，仙女星系的引力將一些恆星從巨大的入侵星系中撕裂出來——這些恆星被纏繞在仙女星系的恆星暈中。這就解釋了為什麼仙女星系的恆星暈如此巨大：被瓦解的星系本身很大，攜帶着大約250億個太陽質量的恆星。由於較大的星系富含金屬，這也解釋了為什麼仙女星系的恆星暈亦是富含金屬的。
這次撞擊攪動了仙女星系盤中的恆星，使其變厚。哈默表示：“除了最近進行一次大規模併合之外，沒有其他方法可以復現這種結局。”雖然早期的模擬已經成功地通過與一個小得多的星系的碰撞創造了巨型星流，但那無法充分震動仙女星系的星系盤。這次大碰撞還將氣體雲聚集在一起，導致它們坍縮，並在仙女星系的星系盤上產生新的恆星，最終引發了20億至40億年前的大規模星暴。
像所有大星系一樣，這個入侵星系也有自己的衞星星系，而那些較小的星系現在圍繞仙女星系運行。這些衞星星系有一個共同的特點：“它們在大約60億年前停止恆星形成，當時它們所有的恆星都落入其中，並且氣體被剝離。”貝爾説。他認為，這可以用於追溯入侵星系併入仙女星系影響範圍的時間。這個入侵星系比它的衞星星系大得多， 它保留了足夠的氣體，直到20億年前仍在形成恆星。
德索薩和貝爾相信撞擊仙女星系的大星系的殘骸仍然存在。他們説，最初的星系是一個旋渦星系，它的旋臂被仙女星系的引力剝離，只留下一個緻密的核心：小而緊湊的橢圓星系M32。
外圍的矮星系 | 奇怪的矮橢圓星系M32似乎位於仙女星系的前方，它可能是一個約20億年前撞上這一巨大旋渦星系的更大星系的殘骸。
M32距離仙女星系中心只有24角分，比圍繞這個大星系運行的其他幾十個星系都要近。如果這兩個星系到我們的距離相等，那麼它們彼此之間的距離只有17000光年。這只是太陽到銀河系中心距離的三分之二。
但是沒有人知道M32位於仙女星系前面或後面多遠的地方，所以M32到仙女星系中心的真實距離是不確定的。不過仙女星系的塵埃帶沒有遮擋M32，表明這個較小的星系應該位於仙女星系的前景。
不管它的確切位置是什麼，M32都不是充滿古老恆星的典型橢圓星系。“M32擁有年輕的恆星，”貝爾説，“它屬於非常奇怪的異類：一個年輕的、超緊湊的、具有太陽金屬丰度的橢圓星系，它的質量比大麥哲倫雲小。這完全不可理喻。”德索薩注意到M32的奇怪成分：“從金屬丰度上看，它的質量應該比實際大100倍。”
當然，如果M32曾經是一個大得多的星系，這一切就説得通了。早在1972年，加州大學聖克魯茲分校的桑德拉·費伯就首次發現了M32富含金屬的性質，她推測仙女星系剝離了這個較小星系的大部分恆星。
更重要的是，2012年的一項研究表明，M32在20億到50億年前也曾經歷過一次星暴，與仙女星系發生星暴的時間大致相同。“20億年前存在一個明顯的截止點。”德索薩説。因此，當M32停止形成恆星，仙女星系的盤也膨脹起來。20億年這個數字也對應着仙女星系恆星暈中最年輕恆星的年齡。
像M32這樣的緊湊橢圓星系“極其罕見”。德索薩和貝爾還指出，那些距離宿主星系很近的衞星星系都可能有一天會變成類似M32的緊湊橢圓星系。
然而，並非所有天文學家都相信M32 就是隔壁仙女星系大戲背後的罪魁禍首。“M32非常特別，”哈默承認，但他認為仙女星系已經完全消滅了入侵者。
哈默解釋説，如此巨大的衞星星系承受着環繞行星運行的衞星所沒有遭遇的阻力：動力學摩擦。一個巨大的衞星星系繞着一個巨星系旋轉，在這個星系的暗暈中快速穿過暗物質。儘管沒有人知道暗物質是什麼；它既能感受到重力，又能施加重力。因此，當衞星星系穿過暗物質粒子時，暗物質粒子將使其減速並墜入巨星系中。
衞星星系的質量越大，它旋入的速度就越快。這就是為什麼銀河系最大的兩個衞星星系——大小麥哲倫雲最終會與銀河系併合的原因。
仙女星系的大衞星星系面臨着劇烈的動力學摩擦，因為衞星星系的恆星數量大約是大麥哲倫雲的10倍。因此，哈默説，入侵星系迅速墜入仙女星系，不復存在，M32不可能是入侵星系的遺蹟。儘管如此，M32確實與仙女星系同時發生了星暴。M32富含金屬的性質也確實表明它曾經是一個更大的星系。
吉爾伯特稱這是M32干擾仙女星系的間接證據。“但她承認這是一個有趣的情況。然而，M32的理論還面臨着一個問題。這個小星系所在的位置可能表明它並非肇事者：它位於仙女星系盤的南部，而模擬表明，只有當倖存的入侵星系遺蹟位於仙女星系的東部，才能產生我們所看到的巨型星流。
“我認為我們將在幾年內得到答案，”哈默説，“因為自行將告訴我們真相。”哈勃空間望遠鏡和蓋亞衞星將測量M32的自行——它在天空中的橫向視運動，以明確這個奇異的星系能否在正確的時間出現在正確的地點，從而引發了仙女星系的戲劇性事件。
無論關於M32的論斷是什麼，仙女星系的故事似乎與銀河系截然不同，銀河系在過去的80億年裏一直很安靜。“當我們還是學生的時候，我們瞭解到的是’M31有點像銀河系的雙胞胎’，”威廉姆斯説，“但一旦你仔細研究它，就會發現M31與銀河系有很多非常顯著的不同之處。”
—— 節選自《中國國家天文》3月刊
作者簡介
肯·克羅斯威爾（Ken Croswell）創作了一本關於銀河系的書——《天堂鍊金術：在銀河系中尋找意義》。他在2023年8月刊上發表了關於銀河系演化故事的專題文章。
譯者簡介
李海寧，中國科學院國家天文台研究員，主要從事銀河系考古研究。曾翻譯包括《天文學百科》在內的多部科普書籍。
本文經授權轉載自微信公眾號“中國國家天文”，原標題《吃瓜：鄰居家的抓馬大戲》。
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