为什么星系会发生碰撞和并合

星系的尺度可达10万光年或更大,运动中的星系在几亿年时间内就可以移动本身直径那么大的距离,而星系彼此间的距离范围只是星系尺度的10~1000倍。因而星系间就有可能发生碰撞;在星系团内星系碰撞的可能性更大。

若两个星系在运动过程中互相靠拢接近,但并没有直接接触,称为星系交会。星系间的近距离交会对星系的结构和动力学状态会产生明显的影响,如一个星系的引力会把另一个星系中的一部分气体和恒星拖出来,并最终脱离原来的星系。

一旦两个星系彼此直接接触或部分接触,就是发生了碰撞。两个星系彼此碰撞时,星系中的恒星只是相对穿越而过,恒星之间并不会直接相撞。但是,星系中的星际介质完全可以直接接触并相互影响,这是因为星际介质的尺度远比恒星大得多。

在碰撞过程中,两个星系间的引力作用,以及星际介质的剧烈相互作用,会对碰撞中星系的形态和演化产生重大影响。有趣的是,如果两个星系以数千千米每秒的相对速度相遇、碰撞,它们有可能安然无恙地对穿而过,两者的外貌与碰撞前并无明显改变的迹象。然而,要是相对速度只有几百千米每秒,情况便完全不同,这是因为引力的作用时间越长,破坏性就越大。在低速碰撞的过程结束后,两个星系互相远离而去,但与碰撞前相比很可能已经变得“面目全非”了。

星系碰撞的另一种结果是“星系并合”,即两个星系因碰撞而合并成一个星系。在并合过程中,如两个星系的质量相差悬殊,大星系会“吞食”掉小星系,同时它的结构会因小星系的引力扰动而发生明显的变化。例如,银河系盘中的厚盘成分,可能就是因一个小星系的并入,使原来的薄盘受强烈扰动而形成的。

并合中的星系NGC520

要是并合中两个星系的质量大致相当,结果不会出现“大吃小”的局面,而是合二为一,形成一个巨星系,同时可能把一部分星际介质甚至恒星抛出去,生成星系尾。有人认为,两个旋涡星系一旦发生碰撞,最终会并合成一个大质量的巨椭圆星系。

现代天体演化理论指出,星系由原星系云经引力坍缩形成,它可以说明不少重要观测事实。但根据这一图景,星系外形应该比较有规则,那么特殊星系的奇特形态和异常性质又作何解释呢?一种颇为流行的观点是,星系在演化过程中,曾经或正在发生大范围的剧烈活动事件,如星系间的密近交会、碰撞以至并合等,这类过程中星系相互作用必然很剧烈,现在观测到的形状诡异的特殊星系就这样形成了。

上述理论已从观测上得以证实。如特殊星系NGC7252可算是星系并合的一个典型例子。深度曝光图像显示这个星系主体的外形很不规则,有两条明亮且外缘清晰的长条形星系尾从两个方向伸出,每条长尾都因引力作用而由星系盘生成,这意味着有2个盘状星系因相互并合而毁灭了。不过在短时间曝光的图像上,它看上去只是一个普通的椭圆星系,面亮度的分布很平滑,看不出任何特殊结构。

因为距离遥远,特殊星系的结构必须用大望远镜或进行空间观测才能发现,在这方面哈勃空间望远镜发挥了巨大的作用。

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