银河系遇见仙女座

我们的星系和它的巨大邻居如何可能在数十亿年里合而为一

逐步了解

两个巨大的邻居

仙女座星系是大多数人用肉眼能看到的最遥远的东西：在漆黑的夜晚，它是仙女座里一块暗淡的光斑。我们看到的光大约在 250 万年前离开它。它在天空中横跨六个满月那么宽，不过肉眼只能看到它明亮的中心。

两者都是旋涡星系：由恒星和气体组成的扁平圆盘绕着明亮的核球旋转，外面包裹着大得多的暗物质晕。算上这些暗物质，每个星系约重一万亿个太阳。这里标出了太阳，它距离银河系中心约 26,000 光年。

从地球测量

仙女座星系的光向蓝端移动：它正以每秒 301 公里的速度向我们而来。其中大部分来自太阳自身绕银河系的运动；朝向银河系中心，仙女座星系以约每秒 115 公里的速度靠近。

沿视线方向的速度很容易从星系光的移动测出。横跨天空的速度却不然：在仙女座星系的距离上，即使每秒 100 公里的横向速度，一个世纪也只让它移动不到百万分之一度。哈勃，以及后来的盖亚太空望远镜，通过多年追踪它的恒星相对更遥远星系的位置，测出了这一漂移。

这个横向速度决定一切。如果它为零，两个星系会径直撞向对方。它很小但不为零，而且还没有被精确测定，所以没人能确定它们会从多近处经过。这就是我们看到的仙女座星系，它的圆盘朝我们大幅倾斜。

抛硬币

这里是测量所允许的几十种未来，每一种都是仙女座星系在未来 100 亿年里的路径。大约一半中，两个星系合并；其余的则远远擦过，再也不会相遇。

2025 年，天文学家在数千次模拟中追踪了本星系群未来 100 亿年，每次都从测量误差范围内不同的数值出发：星系的质量、距离和运动。在这段时间里，银河系和仙女座星系只在约一半的模拟中合并，大多在距今约 76 亿年后。

两个最大的伴星系也有影响。落向仙女座星系的三角座星系让合并更有可能；大麦哲伦云的轨道与它们的轨道成直角相交，让合并更不可能。这个故事跟随的是它们确实合并的一种未来。更好的测量，尤其是对仙女座星系横向运动的测量，将决定哪一种才是真的。

一个小星系坠入

大麦哲伦云距离我们 160,000 光年，在南半球用肉眼很容易看到。算上暗物质，它的质量超过银河系的十分之一。它在银河系的暗物质晕中穿行时，会在身后聚起一道暗物质尾迹，把它往回拉：这就是动力学摩擦，也是将把仙女座星系拉进来的同一种刹车。

它在坠落时被潮汐力撕裂，恒星最终散布在银河系中，就像之前被吞噬的许多更小星系的恒星一样。它被撕裂的过程在这里是画出来的：只有追踪每颗恒星对其他所有恒星引力的模拟，才能详细展示这一过程。

仙女座的伴星系

三角座星系是本星系群中第三大的星系，一个宽度略超过银河系一半的旋涡星系，距离我们 280 万光年。和仙女座星系一样，在非常黑暗的夜空下勉强能用肉眼看到。它似乎是第一次落向仙女座星系。

它的引力关系到我们自己的未来。落向仙女座星系时，它把仙女座星系拉向一侧，在那项研究的模拟中，这让与银河系合并更有可能。这里同样画出了它的恒星如何被撕裂并散布到仙女座星系中。

越来越近

时间加速：数十亿年里，两个星系在彼此引力的牵引下越来越快地相互坠落。仙女座星系在我们的夜空中越来越大。

把它们拉到一起的大部分是暗物质：每个星系的暗物质晕比它的恒星重好几倍，延伸到几十万光年之外。一旦暗物质晕重叠，它们就会互相拖拽，正是这让星系慢到足以合并。

从地球上看，仙女座星系会越来越大、越来越亮，直到占据大半个天空，它的圆盘像今天我们看到的那样倾斜。不过到那时太阳已经变了：大约五十亿年后，它开始膨胀成一颗红巨星。

第一次掠过

每个星系对另一个星系近侧的拉力比远侧更强，把它拉长。一个圆盘被撕裂的程度取决于它的旋转方向：仙女座星系的圆盘与它们的轨道同向旋转，所以外围恒星被带着甩出去；而银河系的圆盘逆向旋转，保持得更好。

两个星系穿过彼此的暗物质晕，被拖慢，失去速度。它们的恒星几乎从不相撞：恒星之间相距如此遥远，即使两个完整的星系重叠，两颗恒星相撞也极为罕见。

分开，又回来

如果没有暗物质的拖拽，它们可能再次分得很远。有了它，每次掠过都会夺走轨道更多的能量，所以下一次来得更早、更近。在那项研究的模拟中，大多数合并发生在第二次掠过时。

与此同时，被搅动的圆盘稍稍平静下来，但第一次掠过时被抛出的恒星继续向外漂移，在两个星系周围形成暗淡的星流和壳层，就像天文学家在许多与其他星系相遇过的星系周围看到的那样。

合并

星系合并时，作用在每颗恒星上的引力迅速变化，把它们有序的绕转打乱成各个方向的环圈。气体云相撞，可能引发一阵新恒星的诞生；落向中心的气体可能喂养黑洞，而黑洞最终也会一起沉落并合并。

银河系的黑洞人马座 A* 约重四百万个太阳，仙女座星系的约重一亿个太阳。合并的结局在这里是根据完整模拟所显示的画出来的，因为这里显示的恒星彼此之间不相互吸引。

一个星系

几亿年后，两者已变成一个由老年恒星组成、没有旋臂的圆形星系：一个椭圆星系，有时被称为“银女系”（Milkomeda）。

椭圆星系在我们看到的最大星系中很常见，人们认为其中许多就是由这样的合并形成的。剩下的气体很少，新恒星很少诞生；数十亿年间，随着明亮的蓝色恒星死去，星系的光越来越红。

大麦哲伦云和三角座星系都成了它的一部分，本星系群的许多小星系也可能随后加入。到那时，本星系群之外的星系会被宇宙膨胀带得更远。

太阳的归宿

和几乎每颗恒星一样，太阳在合并中幸存下来。在这个未来里，它最终离新星系中心的距离，比今天离银河系中心更远。

关于合并的模拟一致认为，太阳很可能被带到更外围，但具体在哪里无法预测。附近的恒星不会靠近到足以扰动行星：即使在星系合并时，恒星之间仍相距数万亿公里。

到那时，太阳已不再是今天的样子。大约 76 亿年后，它作为红巨星达到最大，随后抛出外层，变成一颗白矮星，一颗地球大小的暗淡余烬，仍在新星系中绕行。