大约50亿年后,当太阳膨胀成一颗直径约为地球轨道直径的红巨星时,我们的星系将与它最近的大邻居仙女座发生碰撞。当引力将这对恒星吸引到一起进行近距离接触时,恒星将被从轨道上扯开,形成壮观的彗尾,气体和尘埃将被挤压向接近的原子核,摧毁那些存在了近四分之三宇宙年龄的庄严而宏伟的螺旋。

最终,星系的中心会合并,向中心倾泻的气体会引发恒星形成的爆炸,产生恒星的速度比现在的任何一个星系都快100倍以上。它还将为潜伏在两个星系中心的现在安静的超大质量黑洞提供能量。黑洞在成长的同时会释放出大量的高能粒子和辐射,其亮度将轻易超过两个星系中所有恒星发出的光的总和。再过大约1亿年后,这两个超大质量黑洞将螺旋向对方靠拢,并在一场大灾难中合并成一个黑洞,并在整个空间中发出强烈的引力波。

尽管有烟火,这个过程——今天发生在我们身边,在早期宇宙中更为常见——从最严格的意义上说,并不是真正的“碰撞”。星系大多是空的空间。在一个像银河系这样的星系中,大约有3000亿颗恒星,平均来说,它们之间相隔近5光年。地球上海平面的空气密度大约是星际空间气体平均密度的1亿亿倍。换句话说,尽管合并在星系的生命中是变革性的,也是巨大能量的来源,但大多数恒星在合并过程中只是擦肩而过。

尽管如此,星系堆积是迷人而重要的。通过研究其他星系的合并,我们可以看到我们自己的未来。研究星系合并也有助于我们理解宇宙的历史,因为当宇宙更年轻、密度更大时,星系碰撞更常见。模拟表明,在过去的100亿年里,银河系经历了多达5次的大合并,才形成了今天的大螺旋。

做这项工作是一个令人兴奋的时刻。直到最近,天文学家还缺乏仔细测量和模拟碰撞星系的工具。大部分的活动都被厚厚的尘埃云掩盖了,即使用最大的望远镜也很难用可见光穿透。借助现有和计划中的望远镜上的新仪器,我们将开始回答一些关于星系合并的重大问题,比如恒星是如何在星系碰撞的混乱中诞生的,以及中央黑洞增长和最终合并所释放的辐射如何影响周围新星系的形成。

银河限速

距离埃德温·哈勃第一次发现天空中许多发光的斑点——当时被称为“星云”——并不是银河系内的物体,而是独立的“岛屿宇宙”已经过去了将近一个世纪。他将这些“银河系外星云”分为三类:球形或椭圆形的(椭圆星系),扁平的,有时是带中心凸起的条状圆盘的(螺旋星系,就像我们的星系),以及形状怪异的(不规则星系)。

事实上,不规则星系中的一小部分是高度扭曲的星系对或小星系群。在哈勃发现后的几年里,莫斯科大学的Boris Vorontsov-Velyaminov、加州理工学院的Fritz Zwicky以及威尔逊山天文台和帕洛玛天文台的Halton Arp等先驱详细研究了这类“相互连接的星系”。用照相底片制作的长曝光图像,发表在阿普的1966年奇异星系地图集清晰地显示出扭曲的形状,我们现在认为这是星系合并的标志。20世纪70年代,Juri Toomre和Alar Toomre兄弟用计算机模拟了简单盘状星系在有界抛物线轨道上的相互作用,重新创造了几个特殊星系的形状——特别是在合并过程中被发射到很远距离的恒星的长尾。这些和其他早期的模拟表明,Arp和其他天体突出的不寻常的、有时壮观的特征可以完全用引力相互作用来解释。夏威夷大学的Joshua E. Barnes、哈佛大学的Lars Hernquist和加州理工学院的Philip Fajardo Hopkins领导的研究小组利用现代计算机和最先进的模拟技术,进一步绘制了星系相互作用的多样性以及星系生命周期中合并的重要性。

1983年,红外天文卫星(IRAS)发射。这颗卫星绘制了第一幅整个天空的远红外地图——这对研究隐藏的宇宙,特别是星系合并,是一个巨大的福音。从它捕捉到的波长来看,卫星对冷热尘埃的热发射非常敏感。星系中的星际尘埃几乎总是恒星诞生的温床。在正常的星系中,恒星诞生于(大部分)分子氢气和尘埃组成的云团中。随着恒星的演化和死亡,它们会释放出重的、形成尘埃的元素,如碳和氧,这些元素是在恒星内部通过核聚变产生的,从而进一步使周围的云团充满尘埃。(已经在云层中的尘埃是在恒星形成之前形成的。)在碰撞星系中,这一过程是超速的——合并将气体和尘埃聚集到紧密的区域,点燃被称为星暴的恒星形成波,反过来产生更多的重元素和更多的尘埃。因此,尽管年轻的大质量恒星释放的大部分能量都是波长较短的紫外线,但实际上只有很少的光能到达地球。周围的尘埃颗粒吸收紫外线,并以红外线的形式重新发射出来。 Telescopes equipped with sensitive infrared detectors can measure this light, allowing us to peer through the veil of dust and study the earliest stages of stellar birth and the growth of supermassive black holes.

IRAS在银河系和数千个其他星系中发现了许多这样的恒星托儿所,从两个重要方面极大地提高了我们对星系合并的理解。首先,IRAS提供了这些天体内部产生能量的精确测量,并表明合并星系是宇宙中本质上最发光的天体之一。第二,IRAS仅根据它们的红外发射,在很远的距离上探测到了碰撞星系,这让我们第一次对宇宙时间内的星系合并进行了精确的普查。其中一些碰撞距离地球如此之远,以至于我们看到的光是在宇宙只有现在年龄的五分之一时发出的。在一些合并的星系中,超过90%的总输出功率发生在远红外波长——它们的真实性质完全被光学望远镜所掩盖。

但IRAS告诉我们,大量的红外“过量”是发现相互作用和合并星系的极好方法。特别是,它发现了一类被称为发光红外星系的星系,简称lirg。这些物体的远红外亮度是太阳亮度的1000亿倍以上(大约是银河系中所有恒星总能量输出的三倍以上),通常是合并星系。甚至更罕见和更壮观的是超红外星系,或称ULIRGs。这些星系的远红外光度是太阳亮度的1万亿倍以上,几乎都是剧烈的星系碰撞。

20世纪80年代末,科学家们在解释合并星系的核心发生了什么方面迈出了一步,他们把合并和另一类被称为类星体的天体联系起来,类星体是由活跃的超大质量黑洞提供能量的。它们是宇宙中能量最大的天体,其亮度是太阳的1万亿倍以上。大卫·桑德斯(David Sanders)当时是加州理工学院的博士后,与汤姆·索伊弗(Tom Soifer)和已故的格里·纽格鲍尔(Gerry Neugebauer)一起工作,他假设ulirg是星系合并和类星体之间的一个早期被尘埃包裹的阶段。这种ulirg和类星体之间的进化联系建立在夏威夷大学的Alan Stockton、巴尔的摩空间望远镜科学研究所的John MacKenty和约翰霍普金斯大学的Timothy Heckman之前的研究之上,他们表明,拥有活跃中心黑洞的星系通常看起来是扭曲的,这与它们是星系合并相一致。

强红外星系和类星体之间的联系被提出,这两种天体类型看起来非常不同,提供了一个可测试的模型,刺激了对这两个明显不同的类别之间关系的研究。通过提供一个框架来连接发光的红外星系、强大的星暴、活跃的星系和类星体,它有助于重新唤起人们对星系合并如何影响宇宙时间内星系演化的兴趣。因为在宇宙历史上,超过一半的恒星发出的光被尘埃重新加工成红外光,合并的作用可能是至关重要的。

模拟显示了银河系和仙女座将如何在20亿年内合并,最终形成一个单一的椭圆形星系。
图片来源:NASA, ESA, Frank Summers和太空望远镜科学研究所(可视化);美国国家航空航天局、欧洲航天局、古蒂娜·贝斯拉、哥伦比亚大学、罗兰德·范德马雷尔和太空望远镜科学研究所(模拟

雄心勃勃的目标

2004年,我们两个和我们的合作者发起了大天文台全天LIRG巡天计划(GOALS),利用NASA的三个大天文台:斯皮策太空望远镜、哈勃太空望远镜和钱德拉x射线天文台收集碰撞星系的图像和光谱学。这些仪器提供了合并生命周期的多波长视图。GOALS样本由本宇宙中所有最亮的红外发光星系组成。这组超过200个天体的集合,都在13亿光年以内,使迄今为止对红外发光星系最详细的研究成为可能。

我们的团队还使用了地面望远镜,如新墨西哥州的甚大阵列(VLA)、加利福尼亚州帕洛玛山的黑尔200英寸望远镜、夏威夷的双凯克10米望远镜和智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)。该团队还用欧洲的远红外赫歇尔太空望远镜和美国宇航局的核星x射线望远镜收集了数据;后者研究非常高能的硬x射线。

GOALS已经显著增加了我们对碰撞星系的了解。例如,一个长期存在的问题是,是年轻的恒星还是活跃的黑洞对来自合并星系的光贡献更多。我们可以在合并生命周期的不同时间分离出它们各自的贡献的一种方法是观察两类对象的不同能量剖面(释放的能量量作为波长的函数)。恒星是简单的辐射源——它们发射的能量的峰值波长取决于它们的温度,而它们的能量输出在波长较短或较长的时候衰减非常快。与之相反,在一个供给黑洞周围的吸积盘是粘性的和热的,它的温度从外部向黑洞的视界升高。吸积盘的能量分布比恒星大得多,产生的高能辐射也比恒星大得多,它能加热和电离(从周围气体中剥离电子)大量元素。如果在一个星系的光谱中发现高电离元素的强烈辐射,就意味着在星系的中心有一个正在吸积的超大质量黑洞。

GOALS发现,在所有lirg中,星暴似乎是比黑洞更重要的能量来源。在这些发光的红外星系中,大约有五分之一的星系似乎拥有活跃的超大质量黑洞,但即使在这些星系中,恒星也贡献了大量的能量。但是我们可能错过了活跃的黑洞,它们被灰尘掩埋得如此之深,甚至红外诊断都无法识别它们——目前,goal团队的两位成员——国家射电天文台的George prion和智利迭戈·波尔塔莱斯大学的Claudio Ricci,以及瑞典查尔默斯理工大学由Susanne Aalto领导的团队正在详细研究这一现象。此外,我们倾向于在合并生命周期的后期识别活动黑洞,这表明超大质量黑洞的增长可能滞后于恒星的形成,给了恒星爆发更多的时间来贡献总能量。另外,一些黑洞也可能成长得很早,正如goal团队成员、托莱多大学的安妮·梅德林(Anne Medling)在红外最高分辨率下观测到的一些lirg所表明的那样。恒星和中心超大质量黑洞在星系中生长的精确时间尺度是当前大量研究的主题,这些研究试图理解过去20年里一个最深的谜团:为什么中心黑洞的质量和当今螺旋和椭圆星系凸起处的恒星的质量比在当今星系中几乎恒定,大约是1比1000。

新见解

最近的其他项目揭示了关于lirg和恒星如何在碰撞星系中形成的新线索。例如,通过绘制这些天体内部被质量最大的恒星加热的气体,包括goal成员、空间望远镜科学研究所的Kirsten Larson、克里特岛研究与技术基金会的Tanio Díaz-Santos、弗吉尼亚大学的Loreto Barcos-Muñoz和Yiqing Song在内的研究人员发现,lirg中的大多数恒星形成都发生在极其致密和能量充沛的星暴区域。这些区域的恒星形成率和气体密度比我们在正常星系中发现的要高10倍或更多。在合并过程的早期,最活跃的恒星形成区域往往位于lirg核外的区域。然而,随着合并的发展,主要的星暴是合并核内部和周围紧密的团块,因为原本在旋臂中的气体向中心下落。

有趣的是,在最活跃的后期合并中,分子气体中心浓度的密度是如此之高,以至于它们开始像巨大的分子云。这种现象的一个主要例子是最近的超红外星系Arp 220,它位于2.5亿光年之外。台湾中央研究院的Kazushi Sakamoto和加州理工学院的Nick Scoville用ALMA阵列精确地绘制了该天体中心的分子气体,显示它包含了几个银河系大小的分子气体,集中在一个不超过3000光年的区域——比银河系气体盘的范围小20倍。

尽管合并是强大的恒星工厂,但在碰撞中形成的星团实际上可能寿命短得惊人。利用哈勃太空望远镜的数据,斯德哥尔摩大学的Angela Adamo和麻省大学阿默斯特分校的GOALS成员Sean Linden发现了星团数量随星团年龄的变化而急剧下降的现象,这表明大量的星团在它们诞生后不久就在合并星系中被摧毁了。碰撞引发了强化的恒星形成,但星团内超新星产生的引力潮汐力和风很容易将它们撕裂。

正如星系团中的气体可以在恒星演化过程中被清除一样,合并过程也可能成为超新星和中心黑洞反馈的受害者,对星系的进一步演化产生深远影响。赫克曼和他的合作者在20世纪90年代初首次研究了合并产生的大量电离气体流,他们在一些低红移lirg和ulirg中发现了强风(被称为超级风)存在的证据。针对这种热原子气体的后续研究发现,风不仅在lirg和ulirg中很常见,而且其中速度最快的风可以从星系中挣脱出来,将气体喷射到星系间空间,这一点已经被罗德学院的大卫·鲁普克等人证明。正如goal团队成员Medling和加利福尼亚大学欧文分校的Vivian U使用双凯克望远镜绘制的那样,在最精细的尺度上,热的受冲击气体的喷流和气泡标记了核向星系中注入能量并驱动外流的区域。

银河超级风是多相的,这意味着它们可以包含热的和冷的原子和分子气体。许多天文学家,包括Sakamoto, Barcos-Muñoz,西班牙天体生物学中心的Miguel Pereira-Santaella和西班牙Alcalá大学的Eduardo González Alfonso,研究了超级风中的密集分子气体,经常发现大量的冷气体从合并的星系中向外流动。这些外流物可以轻易地覆盖1万光年,有时携带的气体比原子核中形成恒星的气体还要多,有效地剥夺了星系持续形成恒星的燃料。同样重要的是,这些风可以将重元素(金属)和尘埃送入星系间空间。在几乎所有的情况下,外流似乎都起源于合并的核心附近,由超新星、辐射压力和中心黑洞喷出的喷流(快速气体柱)的共同作用驱动。这些外流在星系的生命周期中可能很重要,熨斗研究所的克里斯·海沃德(Chris Hayward)进行的详细模拟表明,恒星反馈可以同时调节恒星的形成和驱动外流。

天空上最大的眼睛

即将发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜将极大地扩展我们对宇宙时间内星系合并的理解。这架直径6.5米的红外望远镜将于2021年底发射升空。韦伯是IRAS、红外空间天文台(上世纪90年代发射)和斯皮策(2020年退役)的科学继任者,但韦伯的灵敏度将至少是斯皮策的50倍,空间分辨率接近斯皮策的10倍,提供光谱近红外和中红外部分的星系的清晰图像。它还将携带成像光谱仪,可以在一个点产生数百个光谱。这种能力将允许它精确地绘制恒星形成区域和附近合并中积极吸积的超大质量黑洞周围的区域。

“目标”合作项目将观测四个附近的发光红外星系,这是韦伯导演自由裁量提前发布科学计划的一部分。其他研究人员将利用该天文台瞄准附近明亮的活动星系、遥远的类星体和深处的空白区域,以寻找最早的星系。GOALS早期发布的目标包括有强大恒星爆发的星系和活跃的中心黑洞。它们都被困在星系合并的阵痛中,都在经历星系外流。这些星系将是了解这些过程在早期宇宙中如何展开的有价值的本地实验室。除了早期发布的计划外,在韦伯的第一个一般观测周期中还选择了几个项目,这些项目将检查来自年轻星团和活动黑洞的反馈,在光学波长下我们看不到的恒星形成的比例,以及LIRGs中被遮蔽的核的性质。

下一代甚大阵列计划取代27盘甚大阵列。这台263盘射电和毫米波干涉仪将以VLA 10倍的灵敏度和分辨率观测恒星形成区、活动黑洞和与爆炸恒星有关的光。

总的来说,这些新的望远镜将揭示附近和早期宇宙星系合并中发生的天体物理学。高分辨率模拟,加上这些详细的新观测,将是理解物理反馈过程如何帮助调节合并星系中的恒星形成和黑洞增长的关键。未来计划和提议的天文台将能够探测到碰撞的超大质量黑洞的引力波信号,以及在宇宙时间的绝大多数时间内形成星系的尘埃核心。随着我们在宇宙最深处发现更多奇异物体,我们将继续使用这些新工具来更好地理解星系是如何诞生和度过它们的生命的。