撰文/范舟（中国科学院国家天文台）

本文选自《知识就是力量》杂志

在今年2月份，美国国家地理曾发出一条简短的微博——告诉你们一个消息：大约45亿年以后，我们的银河系将与临近的仙女星系撞到一起，请大家做好准备。

截图自微博/@美国国家地理

啥？两个星系碰撞在一起？这听起来比《流浪地球》中太阳系被吞没还可怕~还有网友调侃：真是让人担心得睡不着觉

那两个星系碰撞在一起会毁灭吗？答案可能超乎你想象，因为它们可能只是跳了一场浪漫的“星系华尔兹”，具体怎么回事呢？一起来看

45亿年后的星系华尔兹

假如我们存在于一个椭圆星系中，然后有人告诉你其实我们现在所处的这个星系是由两个旋涡星系并合形成的，而且早在45亿年前，其中一个星系中的智慧生命就对这个星系并合作出了非常精确的预言，你是否会感到震撼呢？

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发现仙女座星系

这个星系并合的主角之一是我们身处的银河系，另一位主角就是仙女座星系（梅西耶星表编号31，星云星团新总表编号位NGC 224）。

▲仙女座

之所以叫“仙女座星系”是因为她在天球上的位置在仙女座，视星等3.4等，在无月夜是可以用肉眼看到的。仙女座星系是本星系群中最大的星系，距离我们254万光年，其中包含10000亿颗恒星，而我们人类所在的银河系仅有3000亿颗恒星。

那么这个巨大的星系是怎么发现的呢？

20世纪初，美国天文学家亨利爱塔·勒维特利用造父变星进行天体测距。由于造父变星的光变周期（即亮度变化一周的时间）和其自身的亮度存在很强的相关性，因此通过测量光变周期就可得到其本征的亮度，再通过亮度和距离的平方反比关系求得距离，因此造父变星的这一特征成为标准烛光。在同一时代，美国天文学家维斯托·斯里弗通过观测天体谱线的多普勒效应发现了天体的红移现象，也就是说该天体在向远离我们的方向运动。

1923年，美国天文学家埃德温·哈勃通过观测仙女座星系中的造父变星，发现其距离远超银河系的本身尺度，这打破了当时人们普遍认为的整个宇宙只有银河系大小的观点。1929年埃德温·哈勃提出了著名的哈勃定律：由于宇宙膨胀，绝大多数星系都会远离我们（红移），而星系的退行速度与我们的距离成正比，这就意味着宇宙并非是静止的，而是在膨胀。

▲船尾座RS是银河系中最亮的造父变星之一（图片来源/Wiki）

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星系华尔兹的诞生

但在实际观测中却存在几个例外，比如仙女座星系，并不是远离我们，而是朝着银河系中心以110千米/秒的速度（扣除了太阳在银河系的旋转速度）而来，这也意味着在未来，很可能这两个星系会碰撞。

大家都知道，在马路上，两辆汽车相撞的可能性还是比较大的，之所以如此，是因为在同一条马路上，可以认为是一维空间。假如是在任何方向都可以任意驰骋的大草原上，两辆汽车相撞的概率就要低得多。那么如果是在三维空间，其碰撞概率就应该低得更多，况且是在这么遥远的距离——254万光年。空间上的一个微小的角度偏差最终就会导致在距离上的巨大偏差，因此两个星系的碰撞看起来还是非常“难”的一件事。

而真正确定这个碰撞的是美国马里兰州巴尔的摩空间望远镜研究所的科学家罗伊兰德·范德·马雷尔（Roeland van der Marel）和桑姆·托尼·孙（Sangmo Tony Sohn）等人。2002—2010年间，他们利用哈勃空间望远镜，通过长期的自行（和视线垂直方向的速度）观测，对仙女座星系的不同区域分别进行了细致观测和计算，结果发现这两个星系在大约40亿年后的碰撞是不可避免的，并合后的星系被称为Mikodeda或者Milkdromeda，就是银河系（Milky Way）和仙女座星系（Andromeda）的英文结合体。2015年5月，《自然》杂志报道了这则新闻，并对这次碰撞进行了数值模拟，同时还利用动画给出了40亿年之后仙女座星系和银河系两个星系的首次“亲密接触”，这就像是两位舞者在华尔兹中的首次牵手。这时如果从地球上看，我们首先会看到仙女座星系离我们越来越近，并且看起来越来越大，之后这两个星系几乎是擦肩而过，再经历20亿年，两个星系又会回头再次拥抱，发生明显的并合，最终成为一个巨椭圆星系或者一个巨形盘状星系。

▲哈勃空间望远镜

▲银河系与仙女座星系之间预测并合的不同阶段（图片来源/NASA,ESA,A.Levay and R.vander Marel(STAcl),T.Hallas,and A.Mellinger）

事实上，仙女座星系现在正在经历着一场和三角座星系（M33, NGC598）的华尔兹舞蹈。2009年，加拿大赫茨伯格天体物理研究所的艾伦·W.麦康纳奇（Alan W. McConnachie）和合作者们在《自然》杂志上发表了一篇文章，介绍了计算机数值模拟的这段美妙舞蹈的过程：大约在34亿年前这两个星系就由于引力的作用发生了相互作用，并开始了一段舞蹈，8亿年后三角座星系达到了离彼此最近的距离，在9亿年前达到了最远的距离，然后回转到目前的位置。在这段美妙的华尔兹中，由于强烈的引力潮汐作用，拉扯出了大量的恒星流，弥散在仙女座星系的周围。

▲三角座星系是本星系群的第三大旋涡星系（图片来源/Wiki）

那么星系并合是否会造成恒星碰撞并对地球产生影响呢？

我们都知道，恒星之间的距离非常遥远。如果星系相互并合，恒星碰撞的概率是非常低的，因为星系中恒星的空间分布密度非常低。即使在恒星密度最高的银盘上，比如说距离太阳最近的恒星—比邻星—距离我们约4光年，这个尺度相当于1100千米外的一个乒乓球，这个距离远远超过了太阳本身的大小。星系并合的过程就类似于两团云雾合并成一团，而恒星之间碰撞的概率几乎为零，因此大家不用担心恒星会相撞，但是这两个巨型星系碰撞肯定会让夜空变得异常明亮。

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星系并合事件多

盖亚卫星（Gaia）于2013年12月发射，主要用于精确测量约10亿颗恒星的距离和运动，以帮助科学家创建人类有史以来最精确的银河系/近邻宇宙图景。利用盖亚卫星的精确测量，空间望远镜研究所的马雷尔使用盖亚卫星在2018年4月发布的第二批数据，探索了仙女座星系和三角座星系的运动轨迹，并同时对仙女座星系和银河系的碰撞进行了模拟，结果发现仙女座星系和银河系的碰撞可能在45亿年后，这比之前利用哈勃空间望远镜数据预估的晚大约5亿年。同时，模拟结果显示两星系侧面碰撞的概率要比正面碰撞的概率大，也就是说这两个星系正面碰撞的概率并不大。

▲盖亚第一张全天彩色图像（图片来源/ESA官网）

然而，仙女座星系并不是第一个和银河系发生碰撞的星系，银河系拥有约60个卫星星系，其中最大的一个是大麦哲伦星系，其恒星数量大约只有银河系的1/10，所以是个小兄弟。近期英国天体物理学家通过计算机模拟发现，在大约20亿年之后，大麦哲伦星系将先和银河系并合，不过这个并合的规模与45亿年后银河系和仙女座星系的并合规模相比，只能算是“小巫见大巫”。

▲宇宙中星系并合事件比较常见

实际上，在宇宙中类似于未来仙女座星系和银河系并合的事件非常多，可以说是常见的星系形态之一。哈勃空间望远镜观测了非常多的图像，比如相互并合中的触角星系、双鼠星系、蝌蚪星系等，因此仙女座星系和银河系的并合只是宇宙这个超大舞池中非常普通的一段华尔兹而已，而那些明亮的椭圆星系可能已经经历过星系并合的过程，仿佛每一个都能为我们讲述一段难以忘怀的奇妙故事。