互动科普

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？

现在，在茫茫宇宙中，1%的星系正在发生碰撞！

优美的旋涡星系、模糊的椭圆星系以及形状不规则的不规则星系……各种形状的星系都在相互接近和发生碰撞。可以说，星系碰撞是宇宙中司空见惯的现象。

从地球观测时，距离我们越远的星系正在发生碰撞的比例越高。越远的星系所发的光到达地球所需的时间越长，这意味着我们所观测到的星系实际上并不是它今天的最新面貌，而是过去的面貌。也就是说，与现在相比，星系在过去更加频繁地发生碰撞。星系正是通过不断地碰撞与合并，才成长为大星系的。

科学家根据观测结果对星系碰撞的频率进行了计算，结果发现，在大约100亿年前，实际上有近10%的星系正在发生碰撞。后来，随着星系不断合并，碰撞的频率才逐渐降低了。如今，只有大约1%的星系正在发生碰撞。研究认为，宇宙诞生于大约138亿年前，早期星系则诞生于大约130亿年前。

图1. 旋涡星系NGC2936（上方）与椭圆星系NGC2937（下方）正在相互接近。由于受到椭圆星系引力的影响，旋涡星系严重变形。距离地球大约3亿光年。

很难了解过去的碰撞历史

科学家推测，仙女星系与银河系都曾经与其他星系发生过碰撞与合并，才演化成今天的形状。不过，我们很难准确地了解它们过去与什么星系合并在一起了。这是因为，一旦两个星系合并到一起后，它们在合并前的所有信息就会消失得一干二净，几乎没有任何保留。

研究认为，星系合并后，有时形状会发生巨大变化。当两个巨型旋涡星系发生碰撞后，旋涡将消失，最后形成一个椭圆星系。科学家推测，迄今为止，仙女星系与银河系尚未经历过大规模的合并。大约40亿年后即将发生的碰撞，有可能是它们生命历程中从未经历过的猛烈碰撞。

星系碰撞时，为什么恒星不会彼此相撞？

我们知道，星系内分布着几百万到几千亿颗恒星。当两个星系发生碰撞时，这些恒星会不会相撞呢？要想弄清楚这个问题，首先我们需要了解一下星系的构成。

星系内的恒星分布并不均匀，大多数的恒星集中在中心部。原则上来说，越往外围，恒星数量越少。

在恒星集中的中心部，恒星之间的距离大约为0.03光年（约2800亿千米）。在恒星稀疏的外围，恒星相距更加遥远，大约是中心部的100倍，约为3光年（约28万亿千米）。

如果把恒星缩小成一个网球大小（直径6.6厘米），那么即便在恒星密集的中心部分，离自己最近的网球（恒星）也远在大约13.5千米之外。在恒星稀疏的外围，最近的邻居则在大约1350千米远的地方，差不多相当于从北京到长沙的直线距离。因此，在“居民”如此稀少的广袤空间内，即便星系发生了碰撞，恒星之间也应该不会发生碰撞。

图2. 在行进道路上会遇到多少个“同伴”？

图为一个经过简化处理的星系，在直径10万光年、厚约5000光年的圆盘中均匀分布着1000亿颗恒星。当一颗太阳大小（半径约70万千米）的恒星从圆盘的一边穿越到另一边时，它在行进道路上会遇到多少“同伴”呢？通道上的恒星数量越多，意味着发生碰撞的几率越大。计算结果表明，在通道上只有1万亿分之4.3颗恒星，也就是说，几乎不存在其他恒星。

将星系内的众多恒星汇聚到一起的神奇力量是什么？

尽管恒星之间相距非常遥远，但是，数百万到数千亿颗的恒星却聚集在一起，构成了一个庞大的集团。是什么神奇的力量把它们汇聚在一起？答案是：引力。即大量的恒星以及星系内的其他物质所产生的引力。

众所周知，引力是具有质量的物体在其周围空间所产生的作用力；物体的质量越大，引力越大。星系的质量无比庞大，有的甚至高达太阳质量的1万亿倍。可想而知，如此庞大的质量所产生的引力也将是一个难以想象的超级引力。正是这个超级引力把数百万甚至数千亿颗恒星汇聚在一起，成为了一个庞大的集团。此外，一个星系的引力对其他星系也具有吸引作用。银河系与仙女星系相互接近也是两者引力相互作用的结果。

验证恒星是否真的不会彼此相撞

恒星相撞的概率有多大？

即便在恒星密集的星系中心部分，恒星之间的距离也非常遥远，大约为0.03光年（约2800亿千米）。由于星系中的恒星是如此稀疏，因此，当两个星系发生碰撞后，恒星彼此相撞的概率微乎其微。

假设在一个与银河系相同大小（直径10万光年）的扁圆盘形区域内，分布着1000亿颗恒星。当一颗恒星从星系的一边穿越到另一边时，它在前进的道路上会遇到几个“同伴”（有可能与几颗恒星相撞）呢？计算结果表明，当一颗恒星穿越这个经过简化处理的星系时，位于其前进道路上的“同伴”仅为0.0000000000043个（4.3×10-12，1万亿分之4.3）。这意味着，在这颗恒星行进的道路上，几乎不存在其他恒星（发生碰撞的概率非常非常低）。

实际上，星系内的恒星分布密度并不均匀，星系的形状、大小以及碰撞角度（恒星怎样横穿星系）也是形形色色，各不相同。尽管无法原封不动地把计算结果套用到每个星系上，不过，可以肯定的是，恒星相撞的几率极其低。重复1000亿次（参考星系内的恒星数量）的话，从整体上来说，一颗恒星在行进道路上只能遇到0.43个“同伴”。在两个大星系迎面相撞的情况下，总的来说，或许会有几颗恒星相撞吧。

恒星之间的引力非常小，几乎可以忽略不计

恒星在其周围空间所产生的引力因质量而异，质量越大，引力越大。不过，恒星并不会因为对方的引力而相互接近，甚至发生碰撞。

当星系碰撞时，星系内的恒星会以每秒几百千米的速度互相穿过。由于恒星之间相距非常遥远，它们之间的引力（导致速度改变）也极其微弱，几乎不会导致彼此的轨道发生弯曲。也就是说，与互相穿过的恒星相互吸引靠近，并最终撞在一起的“悲剧”几乎不可能发生。

（本文发表于《科学世界》2015年第12期）