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？

星系碰撞是新恒星诞生的“催化剂”！

当星系与星系发生碰撞时，有些物质并不能像恒星那样相互穿越而过，而会相撞，这就是“星际气体”。

在星系中，恒星之间并非一无所有，而是充满了稀薄的星际气体。星际气体的主要组成元素是氢，密度因位置不同而不同，平均密度约为1立方厘米1个原子（或者分子）。在旋涡星系中，星际气体多分布在旋臂上。

两个星系中的“恒星原材料”被高度压缩 ！

图中1～3描绘了旋涡星系A与旋涡星系B发生碰撞时，两者内的星际气体是如何运动的。黄色表示星际气体，颜色越深表示气体浓度越大。

星际气体广泛分布在星系盘上，并随着星系一起移动（1）。星系碰撞时，星际气体不会像恒星那样相互穿越而过，而会猛烈地撞在一起。这样一来，两个星系中的星际气体会被高度压缩（2）。碰撞导致星际气体被压缩，其浓度甚至可增大几万倍。

星际气体是形成恒星的原材料。当星际气体的密度增大到一定程度后，气体团就会在自身引力的作用下开始塌缩，并孕育出新一代恒星的“胚胎”（原恒星）。原恒星不断吞并周围的气体，最终成长为一颗耀眼的新生恒星。恒星就是在这种机制下不断从压缩的气体中脱胎而出的（2～3）。

图. 新的恒星诞生于被压缩的气体

图片描绘了两个星系发生碰撞相互穿越而过时，星系及星际气体的运动（1～3）。星际气体用醒目的黄色表示。星际气体是形成新恒星的原材料，碰撞后将被高度压缩，因此，在发生碰撞后的星系中常会形成新的恒星。

研究认为，如今在银河系的星系盘上，每年所诞生的新生恒星的总质量相当于太阳的3倍。而星系碰撞时，恒星诞生率会大大增加，每年新生恒星的质量可以达到太阳的数十到数百倍。

星系发生碰撞时，两个星系内的恒星数量并非只是简单相加到一起，而且还通过压缩原材料来形成新的恒星。可以说，星系碰撞推动了星系规模和形状的不断演化。

神秘的“幕后操纵者”在推动星系相互接近！

在无边无际的广袤宇宙中，星系为什么会相互接近，并最终发生碰撞呢？实际上，有一个神秘的幕后操纵者在推动着星系相互接近和发生碰撞。第3部分将彻底剖析星系碰撞这一现象背后的宇宙之谜。

星系成群出现，遍布整个宇宙

众所周知，无数的恒星组成了星系，成群的星系聚集在一起则构成了星系群或星系团。“本星系群”由50个左右的星系组成，银河系是其中的一个成员。几十个星系组成的小集团称为星系群，数十到数千个星系组成的大集团则称为星系团。

通过观测星系团中的星系，科学家发现，这些星系在向各个方向运动。要想将运动的各个星系束缚在一定的范围内（维系集团），就需要一个作用力将它们汇聚在一起。能够担当如此重任的，非整个星系团的质量所产生的引力莫属。

各星系的运动速度越快，就需要越强的引力。利用这种关系，根据各星系的运动速度就能够计算出将众多星系汇聚在一起的引力强度（星系团质量）。

质量不足，集团难以维持 ！

1933年，瑞士天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky，1898～1974）分别用两种方法计算出离我们大约3.2亿光年之远的后发座星系团的质量。一种方法是根据各星系的运动速度来计算其质量，另一种方法则是根据各星系内的恒星亮度来计算其质量。后一种方法利用了“恒星越亮质量越大”这一特性。 

可是，这两种方法的计算结果却非常不可思议，令人百思不得其解。“根据各星系的运动速度所计算出的星系团质量”是“根据星系内的恒星亮度所计算出的星系团质量”的400倍！换句话说，质量的不一致意味着仅靠星系内的恒星质量（引力）还不足以将各星系汇聚在一起。

为了解释这一矛盾，兹威基主张“星系团中存在我们无法观测到的物质”，并推断不足的那部分质量其实是“看不见的物质”的质量。

星系位于暗物质团内

20世纪30年代，当兹威基提出宇宙中可能存在大量我们看不见的暗物质时，没有多少人严肃地看待这个问题。直到40年后的70年代，越来越多的科学家才开始相信它的存在。同时，科学家观测到了一些只能用“存在看不见的物质，它向周围施加作用力”才能圆满解释的天文现象。

科学家将这种看不见的物质称为“暗物质”。兹威基所发现的星系团中“肯定存在，却无法看到的质量”的“罪魁祸首”就是你我无法看到却拥有质量的暗物质。

星系的大部分质量都是暗物质

虽然我们无法直接看到暗物质，但是由于它有质量，并且对周围产生引力，所以科学家能够间接地证明暗物质的存在。随着研究的不断深入，暗物质的量有多少、存在于宇宙的什么地方等问题开始逐渐变得明朗起来。

虽然暗物质广泛存在于宇宙中，但是，其分布并不均匀，因区域而异。暗物质呈球状分布，成团聚集在一起，紧紧包裹着星系。而且，这些星系聚集而成的集团（星系团）也被暗物质严严实实地包裹着。

暗物质团的大小超过星系的10倍，其质量超过中心星系内所有恒星总质量的10倍，也就是说，可见恒星的质量甚至不到整个星系质量（包括暗物质在内的）的10%。

如果把星系团的规模考虑在内的话，一般来说，暗物质大约占星系团总质量的85%，恒星质量仅占2%左右，其余的则是分布在星系团内气体的质量等。

暗物质才是星系碰撞的幕后操纵者！

暗物质不仅具有绝对的质量优势，还紧紧包裹着星系，它的运动左右着星系的运动。同时，它还把星系相互拉近并束缚成一个集团。当然，导致银河系与仙女座将来发生碰撞的“幕后操纵者”也非暗物质莫属。

（本文发表于《科学世界》2015年第12期）