巨人之战—银河系对阵仙女座星系
[ 录入者:champagnecat | 时间: 23:45:49 | 作者:京晶 译 | 来源:
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作者：Michael Rich& 原文来自：& Posted：2014年10月刊
编译：京晶&& 审校：数星星的猫 （编译版权所有，未经许可请勿转载）
银河系与仙女座星系（M31）正在冷酷地撞向彼此。30-50亿年后，它们将会相遇。上图描绘出它们相遇时的景象&&两个巨大的星盘赫然耸立在夜空中。到那时，膨胀的太阳已经把地球烤成渣滓了。（图片来源：NASA/ESA/Z. LEVAY/R. VAN DER MAREL (STSCI)/T. HALLAS/A. MELLINGER）
天文学家们早已知道银河系与仙女座星系（M31）正以每秒300公里的速度彼此靠近。这还要感谢哈勃空间望远镜对两者相对运动速度的高精度测量。在今后30-50亿年，两个星系将进行一场大型对抗赛，并以合并形成一个巨大的红色椭圆星系告终。这已是铁定的事实。类似的较量正在其它地方上演：例如双鼠星系（Mice）和触须星系（Antennae）这样的相互作用星系，有朝一日也将合并成为椭圆星系。
虽然这场竞赛不会淘汰任何一方，想象一下两位对手如何较量也别有一番趣味。的确，这两位选手乍一看相差甚远，但却还能势均力敌地较量一下就不得不让人惊讶了。
我们银河系身处本星系群中。 相对来说，本星系群是一个小规模的星系群体，跨度不过6百万光年。其核心成员是彼此相距250光年的银河系和M31。本星系群还拥有100个小质量星系成员，其中包括M33和大、小麦哲伦云。如果把银河系和M31比作两个大都市，本星系群内的卫星星系便是如众星拱月般围绕在城市周围的郊区乡镇了。
银河系和M31主宰着本星系群。上图标示出本星系群中最明亮的成员。这个小型的星系团体大约有100个星系成员，跨度为6百万光年。本星系群内相当大一部分恒星质量都掌握在银河系和M31手中。（图片来源：S&T: LEAH TISCIONE）
我们这一方的选手是银河系。其主要特征是两条密布着恒星形成区的旋臂，中心区域（银心）还有一个古老的、重约200亿倍太阳质量的棒状结构。此外，银河系还掌管着160个球状星团和26个已知的矮星系。这其中就有著名的大、小麦哲伦云。如果把暗物质也计算在内，它们的质量则能达到银河系质量的十分之一。2个麦哲伦云皆可被视为独立个体，并且有自己的球状星团系统。它们很可能是银河系所在区域的新成员，而且两者都置身于一个环绕银河系的氢气体流（麦哲伦流）中。
人们曾误以为人马座矮椭球星系挑战银河系：最轻量级选手对阵重量级选手。人马座星系蜷伏在银河系周围，其核心与银心相距6万光年。在过去100亿年里，同一过程反复上演，人马座星系的恒星成员终有一日将溶入银河系的物质晕（银晕）中。银河系无需举起手套便能控制人马座星系：潮汐力会亲自出马。其它一众矮星系的命运也大都如此，它们在引力拉扯下形成的潮汐流点缀在银河系周围。（译者注：西欧封建社会行臣服礼时，君主把手套赐给封臣以示缔结君臣关系。）
银河系的巨大潮汐力把人马座椭球矮星系扯散，形成一条环绕银河系的、长长的恒星流。同一过程在其它矮星系身上反复上演几十次，在银河系的物质晕中留下了大约5千万颗恒星。（图片来源：S&T: GREGG DINDERMAN）
M31的特征是拥有数目庞大的球状星团&&多达500个。它身边还有3个不可小觑的伴星系，矮致密椭圆星系M32、矮椭圆星系M110（也即NGC 205）和旋涡星系M33。它们每一个的质量都与大、小麦哲伦云不相上下。除此之外，M31还拥有40个已得到证认的矮卫星星系，可能还有更多卫星星系有待发现。
M32似乎从M31的星盘中径直穿过至少一次。虽然没能淘汰对手得分，但那次碰撞很可能破坏了M31的宏象旋涡结构，取而代之的则是两个环状恒星形成区。其中最广为人知的当属距离M31核心3万光年远的&火圈&。早在2006年就有人提出2亿1千万年前M32&耙&过M31的星盘，导致气体密度波动，进而引发恒星形成大暴发，才有了今日所见的&火圈&。近期的计算机数值模拟更是强有力地证实了这一点。
欧洲空间局的赫歇尔空间天文台在远红外波段拍摄的这张照片揭示了M31中低温尘埃的分布。新恒星正是脱胎于这些尘埃。距离M31的核心3万光年远处是明亮的 &火圈&。这个活跃的恒星形成环可能是M32在2亿1千万年前径直穿过M31星盘带来的产物。照片还显示出在M31外侧存在着一个更加暗淡的环状结构。 （图片来源：ESA/HERSCHEL/PACS/SPIRE/J. FRITZ/U. GENT）
天文学家根据两个对手最遥远的卫星星系的运动情况，结合开普勒定律，估算出两者的质量。以总质量论&&其中的90%，甚至更多，来自于暗物质，两个星系可谓势均力敌。就当前所能达到的测量精度，两者的质量都是略大于1万亿倍太阳质量。由于我们身处银河系之中，测量质量多少有些困难。更何况，测量星系总质量需要我们仔细测量一小部分遥远的卫星星系的运动，还要考虑宇宙膨胀对星系运动速度的影响。因此，天文学家对上面测得的总质量值颇多争议；如果根据人马座矮星系的运动情况推测银河系的总质量，其值也许比1万亿倍太阳质量低2倍。
M31拥有的恒星数目是银河系恒星数目的2倍。其星盘的可见部分个头不小，却没有旋臂。图中位于M31中心的正上方和左下方的分别是它的卫星星系M32和M110。左下小图：本文作者使用哈勃空间望远镜拍摄到M31的球状星团G1。它是本星系群内最大的球状星团。G1内部藏着一个2万倍太阳质量的黑洞，这也是目前已知的唯一一个拥有内部存在大质量黑洞有力证据的球状星团。（图片来源：M31:ROBERT GENDLER:INSET:NASA/MICHAEL RICH (COLUMBIA UNIV.), ET AL.）
让我们再来看看两个星系的个头和亮度。M31有清晰的边界。不过，受我们自身位置所限，测量银河系的总亮度就不那么容易了。尽管如此，银河系的绝对视星等大约是-20.5等。目前最好的观测结果告诉我们，M31比银河系明亮2倍。也就是说，其视星等大概比银河系视星等高了1等。M31的星盘由恒星和气体构成，其可见部分的跨度达15万光年。相比之下，银河系的星盘（银盘）的直径虽然不过9万光年，但也足以让人过目不忘了。由恒星和暗物质构成的物质晕包裹着两个星系，并伸展到可见的星盘部分之外很远的地方。如果把星盘和核球的质量累加到一起，M31的总质量在1千亿倍太阳质量左右；而银河系的总质量大概为5百亿倍太阳质量。M31有4-6千万颗恒星，几乎是银河系恒星数目的2倍。
中心区域的比较
就外观而言，两个星系最显著的差别在于核球。如果从&上方&俯视银河系，我们会看见银心内有一个棒状结构。这个棒完全由年老恒星构成。并且让人惊讶的是，这些恒星的平均金属丰度几乎与太阳的金属丰度相当。根据棒的形状和恒星运动，理论模型指出早期银河系曾经演化出一个大质量的原初恒星盘。棒结构便是在自身引力作用下，自盘中孕育而生的。盘内的恒星在彼此引力作用下运动，在盘中心形成一个类似足球场的扁平结构，并最终发展成为一个棒状结构。
如果从星系的正上方观察，银河系可能就是上图中天文学家兼艺术家Robert Hurt所刻画的这副模样。星系中心有一个明显的棒状结构，还有两条大旋臂，上面分布着活跃的恒星形成区。（图片来源：NASA/JPL-CALTECH /R. HURT(SSC-CALTECH)）
银河系是如何做到一直保持盘星系的模样的？这还是个未解之谜。广受推崇的冷暗物质理论假定星系通过吞并暗物质团块而越长越大。在早期宇宙，这些团块内部也有气体和恒星，为恒星形成暴发提供了原料，进而促进星系&&特别是核球&&的形成。不过，银河系和其它与之类似的星系（例如NGC 4565）的核球似乎是从星盘中自己演化出来的。从星系的侧面看去，这些核球形似花生；而从星系的正面看，它们又像棒子。现在，我们知道银河系还有一个X形瓣状结构。这一特征常见于中心有明显棒状结构的星系。
与此相对，M31的核球看上去更像椭圆星系，其恒星形成率也不高。星系中心的核球似乎表现为两种形状：一种是银河系核球那样的棒状核球，另一种则是类似M31的&迷你&椭圆星系核球。草帽星系（M104）的核球是经典&圆&核球的极端情况，M31的核球似乎就属于这一类。此外，M31的核球质量是银河系的核球质量的2倍。
如果从星系的侧面远距离观察银河系和M31，我们会发现它们形似NGC 4710（上图）和M104（下图）。与银河系类似，NGC 4710的中心也有一个棒状结构，从侧面看则形如一颗花生。请注意那暗淡的X形光斑。M31的核球更圆，与草帽星系（M104）的核球相似，虽然后者的核球更大些，也更极端些。上、下两图都由哈勃空间望远镜拍摄。（图片来源：上图：NASA/ESA/PAUL GOUDFROOIJ(STSCI)；下图：NASA/HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA)）
世上最大的望远镜和哈勃空间望远镜采用自适应光学清晰成像技术，为天文学家提供大量证据，表明银河系和M31中心都蛰伏着超大质量黑洞。银河系中心黑洞的质量是太阳质量的420万倍。我在美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的同事与德国马克思-普朗克地外物理研究所的Reinhold Genzel分别带领研究小组对黑洞质量进行了独立测量。他们根据黑洞周围单颗恒星的运动速度，应用开普勒运动定律推算出黑洞的质量。
不过，M31中心的黑洞还是轻而易举地在这次较量中胜出。&哈勃&给出的最佳观测结果指出，这个黑洞的质量高达1亿倍太阳质量，约是银河系黑洞质量的25倍。这么大的质量暗示了一种可能：M31在年轻时曾是宇宙中最出众、最有影响力的天体&&类星体中的一员。M31的黑洞虽然比不上蛰伏在巨型椭圆星系（例如M87）中心的黑洞怪兽（达到上十亿倍太阳质量），但在生命里的最初20亿年，四周有充足的气体供它汲取养料，发出耀眼的光芒。M31的核球也正是脱胎于这些气体。
尽管M31中心藏有如此大质量的黑洞，除了几个年轻星团和少量气体外，那里却不同寻常地平静。这是因为M31似乎拥有两个核球。在可见光波段看到的最明亮区域和黑洞及一个年轻小星团的位置彼此并不重合，而是相隔5光年远。理论认为我们看到&假亮度峰值&实际上位于环绕黑洞的星盘之中。
左图：这张照片是10米口径凯克望远镜的杰作，展示了红外波段银河系中心的景象。天文学家利用自适应光学成像技术研究了人马座A（箭头所指）掌控的几十颗恒 星的运动轨道。人马座A是一个强烈射电源，标示出一个420万太阳质量的黑洞的位置所在。图中绝大多数明亮的恒星都在黑洞附近运动着，而暗淡的恒星则是前景或背景恒星。（图片来源：KECK/UCLA GALACTIC CENTER GROUP）
右图：由&哈勃&拍摄的这种照片对M31的中心区域进行了仔细分辨。奇怪的是，可见光波段最亮的地点与M31中心那个1亿倍太阳质量的黑洞（箭头所指）相隔5光年。（图片来源：TOD LAUER (NOAO)/NASA/ESA）
与M31不同，银心里恒星形成的吵扰声四起，新近形成的&圆拱&（Arches）和&五胞胎&（Quintuplet）星团便是明证。&圆拱&有大约100个恒星成员，总质量是太阳质量的100倍，也比太阳明亮1百万倍、甚至更多。这些巨兽的年龄不过2百万年。同时，银心的磁场复杂，磁力线缠绕难解。黑洞周围还云集了一些大质量年轻恒星。按理来说，在黑洞附近，潮汐力极其强大，应该阻止了恒星的形成，因此这些恒星的来历不明。而且我们目前还不知道什么有效的办法能在短时间里把它们移动到现在所在的位置上去。
银河系的中心区域有两个极明亮的大质量年轻星团&&&圆拱&星团（Arches，左图）和&五胞胎&（Quintuplet，右图）星团。它们是怎么形成的目前还是未解之谜。而在 M31中心则找不到类似大小的年轻星团。（图片来源：NASA/ESA/DONFIGER (STSCI)(2)）
星系的外围
两个星系都拥有模糊、延展的物质晕。观测表明，M31的晕半径为50万光年，比银晕大出一半之多。我们先前已经说过，M31的晕中有多达500个球状星团，是银晕内球状星团数目的3倍。两个星系的球状星团几乎都已不再年轻。观测指出，银河系内最老恒星的年龄在110-125亿年之间。
两个星系的晕中还有许多恒星流。经确认，它们大都是类似人马座矮椭球星系这样的恒星系统在碰撞中不幸落败留下的痕迹。在一次出色观测中，美国空间望远镜科学研究所的Thomas Brown和我所在的团队为M31的晕的不同部位拍摄了照片。我们在其中既发现了年老的恒星群，也发现了仅有几十亿年历史的年轻恒星群（我们在银晕里没发现此类恒星）。加拿大国家研究委员会（NRC）下属不列颠哥伦比亚省Herzberg天体物理研究所的Alan McConnachie领导了一个仙女座全景考古巡天（简称PAndAS）项目。该项目使用3.6米口径加拿大-法国-夏威夷望远镜上的MegaCam照相机对20X20平方度的天区进行拍照。根据观测得到的1千万颗红巨星数据，天文学家绘制出M31的晕内物质分布图，图上显示出壮观的恒星流和弧形结构。其中最显著的当属巨型恒星流。它可能是一个类似M33大小的盘星系落入M31后留下的遗迹。
天文学家使用加拿大-法国 -夏威夷望远镜在M31的物质晕中发现了许多恒星流&&近距离挑战大星系的矮星系被潮汐力撕碎留下的痕迹。图左的表格分别比较了银河系和M31的球状星团数目、已知卫星星系的数目、绝对视星等、恒星数目、质量、恒星盘直径、物质晕半径、中心黑洞的质量和恒星形成率。（图片来源：NICOLAS MARTIN/ALAN MCCONNACHIE/RODRIGO IBATA/PANDAS TEAM）
M31的晕还有另一个值得注意的特征：拥有大量富含重元素的恒星。银晕的恒星成员，其典型元素丰度约为太阳铁元素丰度的2%，而M31晕内恒星的元素丰度是前者的10倍。8米口径昴星团望远镜上的新型Hyper Suprime-Cam相机和刚装配的高级光谱仪将提供更多有关M31晕内恒星的元素丰度和运动速度的信息。这些观测有助于解开M31是如何、又是在何时聚集质量的隐秘历史。计划中的30米望远镜也将对M31晕内的暗弱恒星展开光谱研究。
恒星群的比较
最近刚刚退役的星系演化探索者卫星（简称GALEX）结合远紫外和近紫外观测，为M31描绘出最棒的肖像之一。大质量年轻恒星的璀璨光芒妆点着旋臂，核球则被年老恒星&&其内部进行的是氦聚变反应，而不是氢聚变反应&&的紫外辐射照亮。
这张精彩的GALEX照片掩饰了一个完全相反的现实。虽然天文学家估计M31和银河系正以每年1颗的速度形成新恒星，但两个星系似乎正从积极形成恒星的年轻旋涡星系转变成安静、成熟的大质量星系。成熟星系属于红色序列星系。此类星系主要由椭圆星系和大质量旋涡星系构成。M31的辐射绝大部分来自于年老恒星。不仅如此，在过去1亿年里，它似乎没形成多少新恒星。
然而，在M31内有一处地方是个例外：&火圈&里有形成新恒星所需的氢分子和一氧化碳气体。尽管如此，银河系的氢分子含量似乎还是要比M31多出3倍。M31可能经历过更加次激烈的碰撞（类似M32那样的撞击），因此而耗尽了自身储备的气体，或者是为了形成质量较大的核球而在年轻时就把较多气体转换成恒星了。
一个长期以来的怀疑得到了&哈勃&的支持。它以高精度测量了银河系与M31的运动速度，指出这两个对手正在撞向彼此。尽管如此，它们的第一次&相遇&在几十亿年内还不会发生。计算机数值模拟显示，在碰撞的早期阶段，银河系和M31之间将拉扯出壮观的恒星流，形如触须星系（NGC ）和双鼠星系（NGC 4676），或者在稍晚的时候可能形如&原子能和平用途&星系（NGC 7252）。届时，从太阳系的角度看去，银河系就像一道夸张的弧线，横贯全天。碰撞还将点燃两个星系的剩余气体，使其在极猛烈的恒星形成暴中几乎被消耗殆尽。
&哈勃&拍摄的双鼠星系 （NGC 4676）预演了30-50亿年后银河系与仙女座星系相撞的场面。这个相互作用星系因为被潮汐力扯出&尾巴&，形如老鼠而得此名。图中的蓝色区域是活跃的恒星形成区。（图片来源：NASA/HOLLAND FORD (JHU), ET AL./ACS SCIENCE TEAM/ESA）
经过碰撞，银河系和M31最终将合并成一个巨大的椭圆星系。在这个结局里比较有趣的一点是，2或3个超大质量黑洞将在新形成的星系中心共舞一曲。理论还预测出两个星系的大部分气体也会相撞，并流入星系中心。如果事实真是如此，一个类星体将会诞生，并在之后的几亿年中发出耀眼光芒。如果我们的子孙后代还能活着看到这一幕，他们也不太可能生活在地球上了。因为太阳已经演化成一颗红巨星，地球也已经不再是安全、舒适的居所了。
银河系和M31过去经历过的长期碰撞塑造了它们今日的形貌。M31那偏向经典类型的核球也许就是其年轻时一次碰撞的产物。M32从M31的星盘中横穿过去，可能曾经激起了更多的恒星形成，结果消耗了M31的大部分气体。M31的巨型恒星流与银河系的人马座矮星系都是小星系与重量级星系纠缠留下的痕迹。银心的棒状结构则更有可能是原初恒星盘在自引力作用下发展的结果。气体在棒的引导下流入银心，并在那里形成引人注目的星团。
更精确的比较有待于下一轮对M31的研究。未来对银河系的探索也许会揭示出更多有关其自身形状的信息，我们对旋臂的结构也会有清楚地认识。虽然银河系和M31都拥有壮丽的星盘，质量也势均力敌，它们的外貌却差异极大。而且，我们对两个星系的起源和演化历史还缺乏充分的了解。现在，两个对手对其最终的命运无动于衷，正在安静地走向彼此。
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超级望远镜“窥探”宇宙全貌 星系团震惊世人
[导读]普朗克(Planck)太空望远镜近日发现了宇宙中迄今为止最大的两个星系团。在这遥远的星系团中包含了许多个类似银河系这样的星系，它们靠彼此引力的牵制联系在一起，竟横跨了数千万光年。
腾讯科技讯(编译/古木)据国外媒体报道，神秘的宇宙包含着万物，人类一直都以渺小的身影探索着广阔的宇宙。但是由于宇宙的范围太过宏大，所以人类仍未找到敲开宇宙之门的关键“钥匙”。白色代表尘埃，红色代表热气普朗克收集的巨大星系团数据处理后的压缩剪影(左),XMM数据处理后的压缩剪影(右)据国外媒体报道，普朗克(Planck)太空望远镜近日发现了宇宙中迄今为止最大的两个星系团。在这遥远的星系团中包含了许多个类似银河系这样的星系，它们靠彼此引力的牵制联系在一起，竟横跨了数千万光年。基于宇宙微波，家们还展示了普朗克收集的巨大星系团数据处理后的压缩剪影，给人的感觉十分奇特。欧洲太空总署(ESA)目前已用望远镜观测到了189个星系团，其中有20个，是由欧空局通过xmm-newtonX-射线确认为新发现的星系团。普朗克望远镜的架起为天文新发现提供了更好的机会，因为它观察范围可以蔓延到整个宇宙。法国奥赛(Orsay, France)空间研究所(the Institut d'Astrophysique Spatiale)的乔治(Nabila Aghanim)博士说:"这些星系团的观测将作为我们建立宇宙认识的基础。银河系以地球定位大约有400万光年。每一个星系都包含了大量的恒星、行星、气体、尘埃、暗物质以及许多人类无法解释的物质。普朗克天文项目如此庞大是借助了许多英国科学家的帮助，他们积极的参与到这项行动之中，普朗克也是英国宇航局的旗舰项目。普朗克望远镜从2009年八月便已开始按计划观测宇宙中难以观察的偏远地带。它内部的精密仪器记录着宇宙深处传来的红外线波长。这种方式优于捕捉恒星与星系图形，它神奇地从宇宙中的尘埃、气体、原料中获取新发现的证据。普朗克天文台日前在巴黎公布了他们的研究成果，其中还包括银河系恒星诞生初期冷物质数据以及宇宙大爆炸后对宇宙形成的回音被捕捉。普朗克望远镜的主要目标是追踪宇宙大爆炸后残留的微弱微波，另一个目标时找到"smoking gun"，以证明宇宙爆炸后的第一阶段是急速膨胀。英国宇航局空间与探索部门主管大卫帕克(David Parker)博士说:"能够为这样一个充满惊奇发现的仪器工作，每个人都感到无比的自豪。"这些新的研究成果意义重大。它们将会是星系演化"拼图"中不可缺失的一环，在不久的将来，人类终会揭示宇宙的早期历史。名词解释星团:是指恒星数目超过10颗以上，并且相互之间存在物理联系（引力作用）的星群。由十几颗到几千颗恒星组成的。星系:是宇宙中庞大的星星的“岛屿”，它也是宇宙中最大、最美丽的天体系统之一。星系团:由星系、气体和大量的暗物质在引力的作用下聚集而形成的庞大的天体系统就是星系团。
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[责任编辑：joeyjiang]
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