悲劇舞蹈：宇宙中兩個星系發生碰撞將會發生什麼？

arp 148是兩個星系碰撞之後的殘留結構，它是一個環狀星系和長尾星系發生碰撞的結果。

圖中是美國宇航局觀測兩個星系碰撞時的美麗合成圖像，該碰撞出現在觸鬚星系之間，距離地球大約6200萬光年。

當兩個星系通過引力彼此吸引，它們是無法「看到」，卻能感受到。這是一種相互的引力作用，也是不可避免，伴隨著宇宙歲月變遷，星系之間逐漸地彼此接近，它們的碰撞是無法抑制。其相互引力作用是數十億年前微小的不穩定因素產生的，星系在進化歷程中，它們除了與吸引星系逐漸接近，就是不斷地增大。

美國俄亥俄州立大學天體物理學家保羅·薩特（Paul Sutter）深度分析了星系碰撞過程，他指出，當兩個星系抵達非常近的位置時，隨著卷鬚狀氣體和恆星穿過它們之間稀薄介質，星系開始逐漸擁抱。之後它們將發生碰撞，這樣的星系直徑10萬光年，內部存在數千億顆恆星，在碰撞合并過程中，大約相當於太陽質量100萬億倍的宇宙物質發生碰撞、混合和燃燒。

薩特說：「星系碰撞煙花之後將殘留什麼呢？破損、昏暗的垂死星系將不再明亮發光、結構完整，這是一曲悲劇舞蹈，一則故事講述了數億年，直到近期我們才開始理解。」

第一次模擬實驗

當天文學家意識到一些物質從銀河系分離出來，他們觀測發現一些星系看上去比正常星系更散亂，但這並不是直接觀測到星系有趣的合并過程。畢竟星系合并過程需要數億年時間完成，因此在短短几十年的觀測，沒有充分時間實時觀察其真實狀況。在相當長的一段時間裡，天文學家並不知道是否星系處於活躍合并，或者是否部分星系看上去怪異和細長。

模擬實驗最終揭曉了神秘的星系紊亂過程，但是令人驚奇的是，天文學家並不是進行數字模擬，他們的模擬實驗也沒有使用計算機。這項實驗是在1941年進行的，當時原計算機科學家埃里克·霍爾姆伯格（Erik Holmberg）希望檢測星團合并的短暫過程，但他並不是僅在實驗室製造一些恆星，觀察數百萬年時間裡它們的相互引力變化。

霍爾姆伯格非常聰明，他設置了幾十盞燈代表一個星系，每盞燈代表著數萬億顆太陽質量的恆星、氣體、灰塵，以及其它星系環境物質。之後他以每盞燈的亮度代表星系的引力強度，質量越大的星系，燈的亮度就越大。

霍爾姆伯格測量了每盞燈所接收的光線數量，這與來自星系其它部分的引力作用成一定比例關係，這是因為光線和引力具有相同的平方反比關係。如果它們之間的距離成倍增大，其引力強度和光線亮度將下降至最初的四分之一。之後霍爾姆伯格測量周圍燈的「引力牽引」，逐個重新排列每一盞燈。

「潮汐尾」

在這個非常簡單的模擬實驗中，霍爾姆伯格在宇宙時間變遷中逐步測試，觀察了兩個星系在引力作用下混合和合并時的相互影響。同時，他觀看到一個有趣的現象——當星系之間彼此接近，一個「恆星臂」延伸出來，在每個星系對面出現一個「指針」。雖然這一結果非常有趣，但是他並未更深入地計算分析。

直到上世紀70年代，兩位兄弟阿拉爾·圖姆爾和朱里·圖姆爾再次評估這一問題，使用真實的計算機模擬合并星系過程，他們發現了確鑿證據——當兩個星系合并時，引力相互作用將產生氣體和恆星構成的「潮汐尾」，這是一個較細長的繩狀物質從合并過程緊密的旋臂向外延伸。他們模擬的「潮汐尾」結構看上去非常像有趣的觸鬚星系，該實驗非常清晰地表明，星系合并、碰撞和融合，伴隨著這一過程，它們將逐漸地被撕碎。

星系「碰撞煙花」

薩特指出，當星系彼此接近時，引力作用足以扭曲星系外形，但是通常情況下星系主要部分是真空，與星系龐大體積相比，恆星僅是較小的斑點，當兩個星系發生碰撞，你不要認為這是汽車碰撞，實際上它們更接近於兩群蜜蜂混合在一起。

但是星系碰撞過程仍可能是一場「美麗的煙花」，星系包含著難以計算的氣體和灰塵，它們漂浮在星系周圍，以星雲的形式存在。星雲能夠存在很長時間，但如果遭受「撞擊」，例如：鄰近超新星的衝擊波，或者兩個星系碰撞時產生複雜的引力作用，星雲將自身崩潰，分裂和凝結成新的一批恆星。

當兩個星系合并時，恆星形成速度是正常速度的10倍以上，在短暫的天文時間裡，會有數十億顆恆星誕生。天文學家指出，星系合并過程相對短暫，它們會比之前更加明亮。但是美麗的瞬間是需要付出代價的，如果兩個星系不發生碰撞，它們將平穩地逐年製造新的恆星，慢慢消耗珍貴的氣體儲量，但是星系如果發生碰撞，它們的珍貴氣體儲量將快速消耗，數十億顆恆星誕生，其中多數都是質量較大的，僅有少量恆星在星系合并之後消亡。

星系碰撞的最終結果會是怎樣呢？在壯觀的螺旋結構下星繫結構被撕裂，簡單的平盤結構扭曲形成畸形結構，大量古老和年輕恆星混合在一起，同時少量恆星會燃燒成灰燼，星系碰撞會形成不規則星系，殘留一些垂死、寒冷的紅矮星。

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