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40亿年之内，银河系将与仙女星系相撞！人类的家园将会怎样？

在广袤的宇宙中，分布着1000多亿个星系，每个星系大约包含几百万至几千亿颗恒星。银河系是人类的家园——地球（太阳系）所在的星系。夜空中那道美丽而壮观的光带（银河）就是我们从内部所看到的银河系。

研究发现，距离银河系250万光年之遥的仙女星系正以100千米/秒以上的速度向银河系逼近，在未来的某一天，这两个星系将不可避免地相撞。一旦发生碰撞，银河系将遭受重创，严重变形。

星系碰撞在宇宙中相当普遍，对星系进化具有非常重要的意义。小星系通过碰撞、合并而不断变大，形状也随之改变。

在无垠的宇宙中，为什么星系会彼此相撞？研究认为，在星系碰撞这一现象的背后隐藏着一个无形的“幕后操纵者”——暗物质。遗憾的是，直到今天，科学家依然没能揭开它的真面目，暗物质依然是一个未解之谜。不过，科学家确定，暗物质与星系的诞生、演化等生命历程密切相关。

下面，让我们以星系碰撞为关键词，一起探寻星系和宇宙的奥秘吧。

银河系与仙女星系正在相互接近！

太阳系所在的银河系包括1000亿至数千亿颗恒星，形如一个扁平的圆盘，直径约10万光年。 1光年是指光在真空中1年所走的距离，大约为9.46万亿千米。

人类所在的银河系面临着与其他星系相撞的危险——距离银河系约250万光年之遥的仙女星系正在快速向银河系靠近，在未来的某一天，很可能会撞上银河系。

仙女星系是一个巨型旋涡星系，所包括的恒星数量约为银河系的2倍。仔细观测的话，我们就会觉得仙女星系好像正在向我们飞驰而来。

美国宇航局（NASA）利用哈勃太空望远镜观测发现，仙女星系正以约109千米/秒的速度接近我们的银河系。计算表明，仙女星系与银河系的距离每年缩短大约34亿千米（约0.00036光年）。

由于距离越近引力越大，因此，科学家预测，仙女星系接近银河系的速度将会越来越快，从现在起大约37亿～38亿年后，两者将开始碰撞。

一旦发生碰撞，这两个星系将会面临怎样的遭遇？

图1. 银河系的“近邻”——250万光年之遥的星系

图片描绘了银河系（左）和仙女星系（右）。由于人类身处银河系，无法从外部观测到银河系的全貌，但是，我们可以根据内部观测的结果来推测其结构。此外，由于很难精确计算星系中的恒星数量和质量，因此，科学家并不清楚这两个星系的准确数据。不过，研究认为，仙女星系中的恒星数量和质量大约是银河系的2倍。

碰撞不可避免，其证据是什么？

从19世纪70年代开始，多位天文学家相继表示，仙女星系与银河系将来可能会发生碰撞。不过，严格地说，这只不过是一种可能性，并没有令人信服的证据。

日本筑波大学的森正夫副教授从事星系形成理论的研究，他介绍说：“以NASA为中心的研究小组在2012年首次精确观测了仙女星系的运动。因此，几乎可以肯定地说，在未来的某一天，我们的银河系注定要和它的‘近邻’仙女星系发生碰撞。”

2002～2010年，NASA等研究小组利用哈勃太空望远镜对仙女星系进行了详细观测。结果发现，仙女星系正在向银河系接近，而且几乎是迎面朝我们飞驰而来。

早已得知两者正在接近

过去，天文学家就曾表示，仙女星系正在向银河系不断接近。要想知道星系是否在逐渐接近，可以通过测量连接观测者与观测对象（仙女星系）的方向，即我们视线方向的星系运动来获得答案。而且，这种方法相对简单，精度又高，因为它能借助于星系所发的光到达地球后产生的多普勒效应来测量。

多普勒效应是指运动的物体发出的光和声音与原始波长不同，也就是说，物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。生活中，大多数人都有过这样的经历：当一辆救护车迎面驶来的时候，我们听到的警笛声越来越高，而当救护车离去的时候，声音则越来越低。你可能没有意识到，这个现象就是多普勒效应。

按照波长从短到长，可见光依次分为紫、靛、蓝、绿、黄、橙、红等七色。如果星系远离我们而去，根据多普勒效应，光的波长将变长，光的谱线就向红光方向移动，原来的黄光看上去发红，这种现象称为“红移”。相反，如果星系朝我们接近，光的谱线就像紫光方向移动，原来的黄光看上去发蓝，称为“蓝移”。

不过，如果不知道星系所发光的本色，观测者就无从知晓光的颜色是否发生了改变。光的本色，则是利用了原子或分子发射或吸收的特定波长的光（光谱线）。例如，通过分析氢原子所发光的成分，我们就会发现其中红色、蓝色、紫色等特定波长（颜色）尤其强烈。由于氢是最常见的元素，从遥远星系经过漫漫旅程抵达地球的光中，基本上都含有氢原子所发的光。而且，氢原子自身的谱线波长不管在宇宙的哪个地方都不会变化。因此，通过测量从星系抵达地球的光线中所含氢原子的谱线发生了红移还是蓝移，就可以得知多普勒效应的影响。

科学家对从仙女星系抵达地球的光谱线进行分析的结果表明，多普勒效应导致谱线移向了蓝光方向。这意味着，仙女星系正向银河系接近。NASA的研究结果表明，仙女星系正以109.3千米/秒的速度（视线方向的速度）向我们银河系逼近，误差为±4.4千米/秒。

历经7年观测，计算出仙女星系的移动速度

要想判断仙女星系是与银河系相撞还是擦肩而过，还需要知道一个条件，即仙女座的横向运动速度。假如仙女星系大幅度横向运动（与视线方向垂直的方向）的话，说不定它就不会与银河系相撞，而只是擦肩而过。

相对于不断靠近与远离而去的运动，横向运动的速度尤其难以测量。这是因为仙女座距离我们地球太远了——足有250万光年。就算它有横向移动，可是因为它如此遥远，我们从地球上也几乎观测不到。

以NASA为首的研究团队利用哈勃太空望远镜，对仙女星系内的恒星运动进行了长达5～7.5年的持续观测。结果发现，以比仙女星系更遥远的星系为基准，仙女星系内的恒星发生了极其微小的位移。

图2. 横向运动的测定方法

研究团队以比仙女星系更遥远的“静止不动”的星系为基准，测定了仙女星系内恒星的横向运动。观测对象多达2.5万颗恒星，它们都位于恒星分布密度低、便于观测每个恒星的星系盘周边的3个区域。

尽管科学家对仙女星系内近2.5万颗恒星进行了观测，但是由于它们的位移是如此地微乎其微，所以，几乎无法判断它们正在移动。计算机图像处理与数据分析的结果显示，它们的位移太小了，甚至连一个像素（pixel）也不到。就这样，研究团队花费5～7.5年的时间，收集了大量的恒星位移数据，并对这些数据进行了统计处理，从而计算出了整个仙女星系的横向运动速度。

结果表明，仙女星系正以17.0千米/秒的速度横向移动，是其径向速度（109.3千米/秒）的大约16%。在综合考虑了仙女星系与银河系之间的引力以及现在的距离等因素的基础上，研究团队最终得出结论：如果仙女星系以现有速度逼近我们银河系，两者发生碰撞的可能性非常高。

不过，由于横向速度的测定非常困难，因此，与视线方向的移动速度相比，横向速度的误差也较大。考虑到对大量恒星数据进行统计处理时的误差，仙女星系的横向速度也可能会达到30千米/秒左右。尽管仙女星系与银河系很可能会发生碰撞，但是，它们是否会迎面相撞呢（碰撞的角度）?至今科学家仍不能给出明确的答案。

（本文发表于《科学世界》2015年第12期）