28.2: 星系合并和活跃银河核

学习目标

在本节结束时，您将能够：

• 解释星系如何通过与其他星系合并以及消耗较小的星系（午餐）来生长
• 描述大多数星系中心的超大质量黑洞对其宿主星系命运的影响

天文学家通过研究遥远星系得出的结论之一是，整个星系的碰撞和合并在决定星系如何获得我们今天看到的形状和大小方面起着至关重要的作用。 目前只有几个附近的星系参与了碰撞，但是对这些星系的详细研究告诉我们，当我们在非常遥远且非常微弱的星系中寻找合并的证据时，需要寻找什么。 这些反过来又为我们提供了关于星系在宇宙时代所占据的不同进化路径的重要线索。 让我们更详细地研究两个星系碰撞时会发生什么。

合并和自相残杀

本章缩略图显示了两个碰撞星系的动态视图。 这对星系中的恒星本身不会受到这场灾难性事件的太大影响。 （请参阅下面的天文学基础知识专题框为什么星系碰撞但恒星很少碰撞。） 由于恒星之间有很大的空间，因此两颗恒星之间不太可能发生直接碰撞。 但是，随着两个星系相互穿越，许多恒星的轨道将发生变化，而轨道的变化可以完全改变相互作用的星系的外观。 图中显示了一个有趣的碰撞星系画廊$\PageIndex{1}$。 在这样的宇宙碰撞中，可以形成巨大的环、巨大的恒星和气体卷须以及其他复杂的结构。 事实上，这些奇怪的形状是天文学家用来识别碰撞星系的路标。

图$\PageIndex{1}$：互动星系画廊。 （a 和 b）M82（顶部较小的星系）和 M83（螺旋）（a）在黑白可见光图像中看到，（b）在冷氢气发出的无线电波中可以看到。 氢气图像显示，这两个星系被一个共同的气体裹尸布包裹，这两个星系的重力正在拉动和拉伸。 (c) 哈勃太空望远镜的特写镜头显示了这种相互作用对M82星系的一些影响，包括气体向外流动（红色卷须），由碰撞导致恒星形成爆发时形成的巨星的超新星爆炸提供动力。 (d) Galaxy UGC 10214（“The Tadpole”）是一个封闭的螺旋星系，距离银河系4.2亿光年，由于一个较小的星系的通过而受到破坏。 闯入者的重力拉出了长约28万光年的长潮尾巴，并引发了恒星形成的爆发，被视为尾巴上的蓝色团块。 (e) Galaxies NGC 4676 A 和 B 被昵称为 “老鼠”。 在这张哈勃太空望远镜图像中，你可以看到恒星的长而狭窄的尾巴被两个螺旋的相互作用从星系中拉开。 (e) Arp 148 是一对星系，它们在合并成为一个新星系的过程中陷入困境。 两者似乎已经相互穿过一次，造成了冲击波，使其中一个变成了明亮的蓝色恒星形成的环，就像一块石头扔进池塘的波纹一样。

为什么星系碰撞但恒星很少碰撞

在这本书中，我们强调了太空中物体之间的距离很远。 因此，听到星系之间的碰撞可能会让你感到惊讶。 但是（除了星系的核心），我们根本不担心星系中的恒星会相互碰撞。 让我们看看为什么会有区别。

原因是，与恒星之间的距离相比，恒星小得可怜。 让我们以太阳为例。 太阳的宽度约为140万千米，但与最近的另一颗恒星相隔约4光年，约为38万亿千米。 换句话说，太阳与其最近的邻居有2700万个自身直径。 如果太阳是纽约市的葡萄柚，那么最近的星星将是旧金山的另一颗葡萄柚。 这对于不在星系核凸起或星团内部的恒星来说是典型的。 让我们将其与星系的分离进行对比。

银河系的可见圆盘直径约为100,000光年。 我们有三个卫星星系，它们距离我们只有一两个银河系直径（可能有一天会和我们碰撞）。 最接近的主要螺旋是仙女座星系（M31），距离大约240万光年。 如果银河系是大早餐桌一端的煎饼，那么 M31 将是同一张桌子另一端的另一个煎饼。 我们最近的大星系邻居距离我们只有银河系直径的24个，它将在大约45亿年后开始坠入银河系。

富集星团中的星系比我们附近的星系距离更近（参见《太空中星系的分布》）。 因此，星系碰撞的几率远大于星系圆盘中恒星碰撞的几率。 我们应该注意，星系和恒星分离之间的区别还意味着，当星系碰撞时，它们的恒星几乎总是像烟雾穿过纱门一样直接穿过。

星系碰撞的细节很复杂，这个过程可能需要数亿年的时间。 因此，最好在计算机上模拟碰撞（图$\PageIndex{2}$），天文学家可以在计算机上通过重力计算恒星以及气体和尘埃云之间的缓慢相互作用。 这些计算表明，如果碰撞速度很慢，碰撞的星系可能会合并形成一个单一星系。

图$\PageIndex{2}$：星系碰撞的计算机模拟。 这种计算机模拟从两个螺旋星系合并开始，最后是单个椭圆星系。 这些颜色显示了系统中恒星的颜色；注意当相互作用触发大量恒星形成时，蓝色的爆发。 在这个序列中，从头到尾的时间表约为十亿年。

当两个大小相等的星系发生碰撞时，我们将这种相互作用称为合并（该术语在商业世界中适用于两家合力相等的公司）。 但是小星系也可能被较大的星系吞噬——天文学家称之为银河自相残杀（图$\PageIndex{3}$）。

现代个人计算机足够强大，足以计算星系碰撞时会发生什么。 这里有一个网站和 Java 小程序，它可以让你亲自尝试在家里或宿舍里舒适地将两个螺旋星系撞击在一起。 通过更改一些基本控件，例如相对质量、它们的分离以及每个星系圆盘的方向，您可以创建各种由此产生的合并结果。 （你也可以为你的 iPhone 或 iPad 下载类似的应用程序。）

图$\PageIndex{3}$：银河自相残杀。 (a) 这张哈勃图像显示了黑尘云与椭圆星系 NGC 1316 发光原子核的怪异轮廓。 椭圆星系通常包含很少的尘埃。 这些云可能是大约1亿年前被NGC 1316蚕食（吃掉）的一个小型同伴星系的残余物。 (b) 由哈勃太空望远镜（背景图）和钱德拉X射线望远镜（均为插图）拍摄的高度干扰星系NGC 6240显然是两个富含气体的螺旋星系合并的产物。 X射线图像显示，不是一个而是两个原子核，它们在X射线中都发光明亮，相隔仅4000光年。 这些可能是两个超大质量黑洞的位置，这两个黑洞在合并前居住在两个星系的核心；在这里，它们正在参与一种 “死亡螺旋”，其中两个黑洞本身将合而为一。

我们在星系中讨论的超大型椭圆星系可能是通过蚕食星团中的各种较小星系而形成的。 这些 “怪物” 星系经常拥有多个原子核，并且可能是通过吞下附近的星系而获得了异常高的亮度。 多核是其受害者的残余物（图$\PageIndex{3}$）。 我们观察到的许多大型奇特星系的混乱形状也归因于过去的相互作用。 缓慢的碰撞和合并甚至可以将两个或多个螺旋星系转变为单个椭圆星系。

当星系碰撞时，形状的变化并不是全部。 如果任一星系包含星际物质，则碰撞可以压缩气体并触发恒星形成速度的提高——多达100倍。 天文学家称这种形成的恒星数量的突然增加为星爆，而出现这种增加的星系被称为星爆星系（图$\PageIndex{4}$）。 在一些相互作用的星系中，恒星的形成非常强烈，以至于所有可用的气体在短短几百万年内就耗尽了；恒星形成的爆发显然只是一种暂时的现象。 但是，在星爆持续的同时，它发生的星系会变得更加明亮，在远距离上更容易被探测。

图$\PageIndex{4}$：与碰撞星系相关的星爆。 (a) 名为 Stephan's Quintet 的小群中的三个星系在引力上相互作用（左上角的星系实际上比其他三个星系近得多，也不是这种相互作用的一部分），导致了这里看到的扭曲形状。 长串年轻、巨大的蓝星和数百个在激发氢气的粉红色光线下发光的恒星形成区域也是这种相互作用的结果。 星团的年龄从200万年到10亿年不等，这表明这组星系中发生了几次不同的碰撞，每次碰撞都会导致恒星形成的爆发。 Stephan's Quintet的三个互动成员位于2.7亿光年的距离处。 (b) 大多数星系以相当缓慢的速度形成新恒星，但是被称为星爆星系的稀有星系的成员会以极其活跃的恒星形成而燃烧。 星系 II Zw 096 就是这样一个星爆星系，这张使用哈勃和斯皮策太空望远镜数据的组合图像显示，它正在以惊人的速度形成明亮的新恒星团。 蓝色显示可见光下合并的星系，而红色显示来自正在形成恒星的尘土飞扬区域的红外辐射。 这个星系的距离为5亿光年，直径约为50,000光年，大约是银河系大小的一半。

当天文学家终于有了研究110亿至120亿年前发射光的大量星系的工具时，他们发现这些非常年轻的星系通常类似于附近参与合并的星爆星系：它们还有多个原子核和奇特的形状通常比今天的普通星系更笨拙，有多个强烈的结和明亮的星光块，而且它们的恒星形成速率比孤立的星系高。 它们还包含许多蓝星、年轻星、O 型和 B 型恒星，附近的合并星系也是如此。

在当今的宇宙中，银河系的合并很少见。 目前，只有大约百分之五的附近星系参与了相互作用。 数十亿年前，相互作用更为普遍（图$\PageIndex{5}$），它帮助建立了我们在这个时代看到的 “更成熟” 的星系。 显然，星系的相互作用在其演化中发挥了至关重要的作用。

图$\PageIndex{5}$：遥远星团中星系的碰撞。 左边的大图显示了哈勃太空望远镜拍摄的距离约为80亿光年的星系团的图像。 在经过详细研究的星系中的81个星系中，有13个是最近成对星系碰撞的结果。 右边的八张较小的图像是一些碰撞星系的特写镜头。 合并过程通常需要十亿年左右。

活跃的银河核和星系演化

尽管星系合并是巨大的、引人注目的事件，它们在数十万光年的规模上彻底重塑了整个星系，并可能引发大量的恒星形成，但星系内部积聚的黑洞也会干扰和改变其宿主星系的演变。 你在 Active Galaxies、Quasars 和 Supermassive Black Holes 中了解到了一系列被称为主动银河核（AGN）的物体，所有这些物体都由超大质量黑洞提供动力。 如果黑洞被足够的气体包围，一些气体可能会掉入黑洞，在进入吸积盘的路上被冲走，这是一个紧凑的旋转漩涡，可能只有 100 AU（相当于我们太阳系的大小）。

在圆盘内，气体会升温，直到它即使在 X 射线中也能发出明亮的光芒，通常会超过拥有数十亿颗恒星的宿主星系的其余部分。 超大质量黑洞及其吸积盘可能是猛烈而强大的地方，有些物质会被吸入黑洞，但更多的物质会被垂直于圆盘的巨大喷气式飞机射出。 这些强大的喷气式飞机可以延伸到银河系的繁星边缘之外。

AGN 在早期的宇宙中更为常见，部分原因是频繁的合并为黑洞吸积盘提供了新鲜气体。 当今附近宇宙中 AGN 的例子包括星系 M87 中的那个（见图$\PageIndex{1}$，它以接近光速的速度从原子核射出）和明亮星系 NGC 5128 中的那个，也被称为 Centaurus A（图$\PageIndex{6}$）。

图$\PageIndex{6}$：银河半人马座合成图 A. 这张人工彩色图像是使用来自三台不同望远镜的数据制作的：波长为 870 微米的亚毫米辐射以橙色显示；X 射线以蓝色显示；来自恒星的可见光以其自然色显示。 半人马座 A 有一个活跃的银河核，它为两架以蓝色和橙色显示的喷气式飞机提供动力，朝相反的方向到达银河系的恒星盘之外，并使两个巨大的 X 射线发射热气体或云层膨胀。 半人马座的距离为1300万光年，使其成为我们所知道的最接近的活跃星系之一。

在这样的星系中，许多高度加速的粒子随喷气机一起移动。 一路上，喷气机中的粒子可以进入星际介质中的气云，将它们分解并散射。 由于物质聚集在一起形成恒星需要更密集的气体和尘埃云，因此云层的破坏可能会阻止宿主星系中的恒星形成或在恒星开始之前将其切断。

这样，类星体和其他类型的 AGN 可以在其星系的演变中发挥至关重要的作用。 例如，越来越多的证据表明，两个富含气体的星系的合并不仅会产生巨大的恒星形成，而且还会触发新星系核心的AGN活动。 反过来，这种活动可能会减缓或关闭恒星形成的爆发，这可能会对整个星系的表观形状、亮度、化学含量和恒星成分产生重大影响。 天文学家将该过程称为 AGN 反馈，它显然是大多数星系演变的重要因素。

摘要

当大小相当的星系碰撞合并时，我们称之为合并，但是当一个小星系被一个大得多的星系吞没时，我们使用银河自相残杀一词。 碰撞在星系的演变中起着重要作用。 如果碰撞涉及至少一个富含星际物质的星系，则由此产生的气体压缩将导致恒星形成的爆发，从而形成星爆星系。 在宇宙还很年轻的时候，合并要普遍得多，我们看到的许多最遥远的星系都是参与碰撞的星爆星系。 由大多数星系中心的超大质量黑洞提供动力的活跃银河核会对宿主星系产生重大影响，包括关闭恒星的形成。

词汇表

银河系自相残杀

一个较大的星系从较大的星系中剥离物质或完全吞下较小的星系的过程

合并

星系（大小大致相当）之间的碰撞，它们结合起来形成了一个单一的新结构

星爆

一个星系或多个星系的合并，将气体转化为恒星的速度比平时快得多