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？

银河系与仙女星系已经发生了碰撞？！

星系与包裹它的暗物质晕有着无法割舍的亲密关系。暗物质晕的质量超过了可见星体质量的10倍。也就是说，它对周围空间所产生的引力也超过了可见星体的10倍。可以说，星系的真正“主角”并非那些耀眼的可见星，而是看不到也摸不着的暗物质晕。

暗物质晕的质量超过星系的10倍，因此，暗物质晕的运动左右着星系的运动。星系相互接近并发生碰撞的幕后操纵者也是暗物质晕。银河系与仙女星系在相互接近，并将发生碰撞。其背后的“真相”则是包裹两个星系的暗物质晕在相互接近和碰撞。

星系碰撞是暗物质晕合并的“副产品”

研究认为，暗物质晕是可见星系的10倍大，而且星系的大小（质量）与暗物质晕的大小（质量）基本上成比例。星系越大（重），包裹它的暗物质晕也就越大（重）。

星系不仅包括我们能看到的恒星，还包括暗物质晕。这样考虑的话，说不定银河系的边缘与仙女星系的边缘实际上已经开始发生碰撞了。研究认为，暗物质晕彼此不会相撞，而且，暗物质晕也不会与普通物质发生碰撞。暗物质晕对周围物质的影响仅限于引力。

星系通过不断碰撞与合并而逐渐长大。其成长背后的真相则是“幕后操纵者”（暗物质晕）在不断合并与变大。

暗物质晕相互合并时，其包裹的星系彼此不一定发生碰撞。在合并变大的暗物质晕中，没有发生碰撞的多个星系也会近距离地和平共处。通过这种方式形成的星系集团就是星系群或星系团。

独具特色的星系分布是如何形成的？

宇宙自大约138亿年前诞生以来，较小的暗物质晕通过不断集中与合并，逐渐成长为较大的暗物质晕。在这一过程中，诞生了恒星，大量恒星聚集在一起则形成了星系。星系之间时而碰撞合并，时而和平相处，聚集在一起，最后形成了星系群或星系团。

在广袤的宇宙中，星系上演了如此壮观的华美大戏——碰撞、合并、汇集，最终形成了 “宇宙大尺度结构”。在宇宙中，有些区域内的星系较为密集，有些区域则几乎不存在星系。

宇宙中存在着数亿光年的巨大空洞

数百到数千个星系聚集在数百万光年大的区域内形成了星系团。20世纪70年代，观测技术有了飞跃性进步，人类终于能够详细观测星系的空间分布，并发现，这些星系团又聚集成了更大的集团。

美国哈佛-史密松天体物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的研究团队在1977～1982年对宇宙中的星系分布进行了大规模的调查，并测量了大约2400个星系的距离，最后绘制出了宇宙地图。

科学家把几乎不存在星系的宇宙区域称为“巨洞”（void），它的直径约为数亿光年。在巨洞周围，以丝形或壁形分布着星系群、星系团以及不属于任何集团的星系。

什么原因导致星系分布不均衡？

宇宙的大尺度结构不仅表明宇宙中的星系分布不均衡，同时还表明看不到摸不着的暗物质的分布也不均衡。可是，暗物质的分布为什么会不均衡呢？

一个广为认可的学说认为，在宇宙诞生之初，暗物质的密度只是稍稍有一点不均匀，但是随着时间的推移，这一小小的不均匀不断“长大”，直到长成今天的样子。前文我们介绍了暗物质晕的形成以及恒星和星系的诞生都源自暗物质密度的微小差异。同样的事情发生在更大规模的尺度下，就形成了宇宙大尺度结构。

星系继续碰撞合并的话，未来的宇宙会变成什么样？

研究推测，银河系与仙女星系将在几十亿年后发生碰撞，合并为一个巨大的椭圆星系。那些现在作为星系群或星系团的一个成员而和平相处的星系们，在未来的某一天很可能也会发生碰撞合并在一起。也就是说，星系群或星系团中的星系将来也会合并成巨大的椭圆星系。

让宇宙加速膨胀的能量vs.暗物质

尽管科学家推断未来星系群或星系团中的星系会合并，但是，宇宙中所有的星系并不会最终合并成一个，这是因为宇宙在不断膨胀。

观测遥远的星系时，我们就会发现，越远的星系远离银河系的速度越快。这是因为宇宙空间在不断膨胀。观测发现，宇宙膨胀的速度随着时间的推移而越来越快（加速膨胀）。虽然科学家认为某种未知的能量在推动着宇宙加速膨胀，但是，并不清楚这种神秘的能量到底是什么，因此把它称为“暗能量”。

尽管宇宙的膨胀导致远方的星系远离我们而去，但是我们知道仙女星系与银河系却在不断接近，所以并非所有的星系都在远离。这是因为在星系群或星系团的范围内，把星系汇聚在一起的力量（暗物质等的引力）战胜了让宇宙加速膨胀的能量。另一方面，当范围更大，超越星系团时，加速膨胀的效果将会占据上风。结果，我们与远方星系的距离会越来越大。

图. 星系不断合并的未来宇宙

图片描绘了1000亿年后的宇宙想象图。现在位于星系群或星系团中的星系将合并为巨大的椭圆星系。同时，由于宇宙在加速膨胀，因此，没有星系的空间（巨洞）持续变大，我们与远方星系的距离越来越大。就像图片所描画的那样，未来的宇宙会是一个异常孤单寂寞的世界，只稀稀疏疏地分布着一些巨大的椭圆星系。

不过，这个想象图只是根据宇宙现在的情形所推断的、未来可能出现的情景之一。因为我们如今仍不清楚暗能量的真面目与特性，将来宇宙加速膨胀的程度或许会有所变化。

星系不再相互碰撞

研究认为，根据“把星系汇聚到一起的力量”与“让宇宙加速膨胀的能量”之间的力量对比，未来的宇宙将是一个非常“寂寞”的世界，只稀疏地分布着一些巨大的椭圆星系。

未来，遍布整个浩瀚宇宙的星系碰撞会逐渐消失，“寂寞”宇宙或许是星系碰撞的终点吧。

（本文发表于《科学世界》2015年第12期）