20亿年前那场星系间对决，它“吃掉”了入侵者

距离我们“很近”的邻居仙女星系，一直被认为和银河系是姊妹星系，但越来越多的证据表明仙女星系的历史更复杂，在恒星晕、恒星分布和速度弥散等方面都与银河系有显著差异。而这一切，天文学家认为是仙女星系经历了一系列戏剧性事件造成的。

撰文 | 肯·克罗斯韦尔（Ken Croswell）

翻译 | 李海宁

M31仙女星系。

巨大的仙女星系庄严而宁静，统治着一个由附属星系组成的庞大帝国，比如卫星星系M32和M33。我们的银河系亦是如此。这两个巨大的旋涡星系共同统治着周围的星系：虽然本星系群拥有一百多个星系，但其中大多数都是这两个超级大国之一的卫星星系。而本星系群那些闪闪发光的恒星绝大多数要么在银河系，要么在仙女星系。

天文学家一直认为这两个大星系是姊妹星系。但越来越多的证据表明，仙女星系的经历要复杂得多。研究表明，除了仙女星系和银河系之外，本星系群还曾拥有另一个大型旋涡星系。大约60亿年前，这个星系闯入仙女星系暗晕的边界，随后在20亿年前坠入仙女星系的星系盘中。这个入侵者搅动仙女星系的气体和尘埃的同时，也引发了新的恒星形成和超新星爆炸，照亮了仙女星系的整个恒星盘。

梵蒂冈天文台的理查德·德索萨表示，“仙女星系的吸积历史与银河系非常不同，它所吸积的物质比银河系一生中吸积的还要多得多。”数十亿颗来自入侵旋涡星系的恒星飞溅到仙女星系的恒星晕中。更重要的是，这个入侵星系的致密核心可能以奇怪的椭圆星系M32的形式存留至今。“M32是一个非常奇怪的‘野兽’。”德索萨说，他认为M32的怪异性质源于它在这场邻家大戏中扮演的角色。

不同的天体晕

尽管仙女星系距离我们很近——离地球只有250万光年——但天文学家们也花了一些时间才意识到隔壁发生的一系列戏剧性事件。

围绕着银河系的螺旋状银盘（太阳所在的地方），弥散的银晕里居住着古老的恒星。这些晕星的铁和其他金属含量比太阳低得多。由于它们的年龄很老，晕星记录了我们银河系的古代历史以及原始宇宙的化学成分。尽管恒星晕很重要，但它只占银河系总恒星质量的一小部分，大约相当于10亿个太阳，仅占银河系总恒星质量（600亿个太阳质量）的2%。

古老，质量占比低，且金属含量低。多亏了盖亚卫星，我们现在知道，银河系的大部分恒星晕来自一个在80到110亿年前撞向我们家园星系的星系。这个星系的恒星质量可能介于大麦哲伦云和小麦哲伦云之间——它们俩是目前绕银河系运行的，最明亮的两个星系。

但仙女星系的恒星晕并非如此。20世纪80到90年代，天文学家发现仙女星系的恒星晕富含金属。甚至一些天文学家最初认为他们所看到的不可能是一个星系晕。

金色的晕 | 黄色和橙色的点表示仙女星系晕中富金属恒星，这表明它们的铁氢比很高。银河系晕中的大多数恒星都是贫金属星，在相同的金属丰度尺度上，它们会是绿色或蓝色的。富含金属的恒星，包括巨型星流中的恒星，可能来自一个相当大的星系。图中标识了仙女星系盘和重叠的矮椭圆星系M32的位置，但没有展示出来。上方、右侧和下方的灰色实线勾勒出泛仙女星系考古巡天（Pan-Andromeda Archeological Survey）的范围。

随后的2001年，法国斯特拉斯堡天文台的罗德里戈·伊巴塔和他的同事在仙女星系的星系晕中发现了一条星流。“这是一条巨型星流，绝对是不寻常的。”法国巴黎天文台的弗朗索瓦·哈默也表示，“银河系中虽然也有星流，但比这小得多。”

巨型星流延伸到仙女星系中心以南33万光年的空间，是太阳到大麦哲伦云距离的两倍。这条星流中成员恒星的铁氢比约为太阳的45%，相比我们银河系的恒星晕富含更多的金属，在我们银河系中，这一比例通常只有1%到10%。

而且仙女星系并不只有这一条星流。“仙女星系的恒星晕要比银河系的晕复杂得多，”哈默说。仙女星系的恒星晕所包含的恒星总量达到200亿倍太阳质量，是银河系的20倍。

多样的恒星晕 | 巨星系的恒星晕可以具有非常不同的质量和金属丰度，这取决于落入其中的星系的大小。吸积了大量物质的星系，如仙女星系（红色部分）和草帽星系，拥有巨大的、富金属的恒星晕，而旋涡星系，如银河系（蓝色部分）和M101，拥有低质量的、贫金属的恒星晕。

不同的星系盘

德索萨说，接下来的十年见证了另一个变革性的发现。仙女星系再一次被证明与银河系完全不同。

包括太阳在内的大多数银河系恒星都属于薄盘，这是一个薄饼状的结构，占据太阳附近从上到下2000光年厚的空间。这些恒星在银盘面附近沿近圆轨道围绕银河系中心运行。虽然它们运动得很快，但由于开始时相对于彼此的速度较低，这就形成了所谓的低速度弥散。

但是，当薄盘恒星在太空中快速穿行时，它们会遇到旋臂和巨大的星际气体云，这些气体云的引力将恒星往上下左右前后推挤。因此，在漫长的时间里，恒星越来越偏离它们围绕银河系中心的原始路径，彼此之间获得更大的速度，从而获得更大的速度弥散。

银河系也有一个更为古老的恒星盘——厚盘——它的恒星垂直于银盘的距离是大多数薄盘恒星的三倍。因此，这些厚盘恒星具有更高的速度弥散。然而，在银河系中，包括太阳在内的大多数盘星属于薄盘，而不是厚盘。

仙女星系的情况却并非如此。“仙女星系的星系盘完全没有薄盘，”哈默说。“这是一个厚盘。”

这一发现要追溯到2015年，当时加州大学圣克鲁斯分校的研究生克莱尔·多尔曼和她的同事观测了仙女星系盘中恒星的多普勒频移，通过这一频移可以表明恒星靠近和远离我们的速度有多快。虽然这些测量表明最年轻的恒星具有相当低的速度弥散，但令人难以置信的是，年龄超过20 亿年的恒星具有非常高的速度弥散。这意味着它们必须在远离仙女星系银盘面的上方和下方隆起，形成一个厚盘。

仙女星系的恒星盘厚度约为5000光年，与银河系的厚盘相当。但仙女星系厚盘上的年轻恒星表明，它的形成时间要比银河系厚盘晚得多，仅仅诞生于20亿年前。

年轻的星系晕 | 与银河系不同的是，仙女星系的星系晕中包含年龄只有20亿年的恒星，而大约在同一时 间，它的星系盘在遭遇一个大星系的撞击后膨胀起来。

此外，就在仙女星系被激发之际，一场恒星“野火”席卷了整个星系盘。“2015年左右，人们开始注意到，无论哈勃望远镜在哪里观测仙女星系，他们几乎总能发现年龄在2亿年到40亿年之间的恒星数量过多。”主持了一项相关研究的华盛顿大学的本杰明·威廉姆斯这样说道：在那个时候，仙女星系一定是一个奇观，明亮的年轻恒星和超新星爆发在其星系盘上闪闪发光。

宇宙巧合 | 矮椭圆星系M32在20到50亿年前形成了许多恒星，与此同时仙女星系也形成了许多恒星。这一巧合表明，较小的星系可能触发了较大星系的星暴。

大星系入侵者

2018年，哈默和他的同事，以及德索萨和贝尔独立提出了一个理论来解释仙女星系的所有奇异特性：它巨大的、富含金属的恒星晕，起伏膨胀的星系盘，以及20亿年前发生的星暴事件。这个想法很简单：一个大约有银河系恒星质量40%的大星系在20亿年前绕着仙女星系旋转，然后撞到了仙女星系的星系盘上。

“观测证据确实倾向于仙女星系可能经历了一次重大并合事件。”空间望远镜科学研究所的卡罗琳·吉尔伯特补充说：这很令人惊讶，因为一次大碰撞可能会破坏仙女星系的星系盘。

根据这个新观点，仙女星系的引力将一些恒星从巨大的入侵星系中撕裂出来——这些恒星被缠绕在仙女星系的恒星晕中。这就解释了为什么仙女星系的恒星晕如此巨大：被瓦解的星系本身很大，携带着大约250亿个太阳质量的恒星。由于较大的星系富含金属，这也解释了为什么仙女星系的恒星晕亦是富含金属的。

年轻的星流 | 仙女星系晕中最引人注目的特征是巨型星流，它其中的恒星覆盖了广泛的年龄范围，包括20亿年前形成的恒星。它们可能来自同一时间撞击仙女星系的大星系。

这次撞击搅动了仙女星系盘中的恒星，使其变厚。哈默表示：“除了最近进行一次大规模并合之外，没有其他方法可以复现这种结局。”虽然早期的模拟已经成功地通过与一个小得多的星系的碰撞创造了巨型星流，但那无法充分震动仙女星系的星系盘。这次大碰撞还将气体云聚集在一起，导致它们坍缩，并在仙女星系的星系盘上产生新的恒星，最终引发了20亿至40亿年前的大规模星暴。

像所有大星系一样，这个入侵星系也有自己的卫星星系，而那些较小的星系现在围绕仙女星系运行。这些卫星星系有一个共同的特点：“它们在大约60亿年前停止恒星形成，当时它们所有的恒星都落入其中，并且气体被剥离。”贝尔说。他认为，这可以用于追溯入侵星系并入仙女星系影响范围的时间。这个入侵星系比它的卫星星系大得多， 它保留了足够的气体，直到20亿年前仍在形成恒星。

M32，入侵幸存者？

德索萨和贝尔相信撞击仙女星系的大星系的残骸仍然存在。他们说，最初的星系是一个旋涡星系，它的旋臂被仙女星系的引力剥离，只留下一个致密的核心：小而紧凑的椭圆星系M32。

外围的矮星系 | 奇怪的矮椭圆星系M32似乎位于仙女星系的前方，它可能是一个约20亿年前撞上这一巨大旋涡星系的更大星系的残骸。

M32距离仙女星系中心只有24角分，比围绕这个大星系运行的其他几十个星系都要近。如果这两个星系到我们的距离相等，那么它们彼此之间的距离只有17000光年。这只是太阳到银河系中心距离的三分之二。

但是没有人知道M32位于仙女星系前面或后面多远的地方，所以M32到仙女星系中心的真实距离是不确定的。不过仙女星系的尘埃带没有遮挡M32，表明这个较小的星系应该位于仙女星系的前景。

不管它的确切位置是什么，M32都不是充满古老恒星的典型椭圆星系。“M32拥有年轻的恒星，”贝尔说，“它属于非常奇怪的异类：一个年轻的、超紧凑的、具有太阳金属丰度的椭圆星系，它的质量比大麦哲伦云小。这完全不可理喻。”德索萨注意到M32的奇怪成分：“从金属丰度上看，它的质量应该比实际大100倍。”

当然，如果M32曾经是一个大得多的星系，这一切就说得通了。早在1972年，加州大学圣克鲁兹分校的桑德拉·费伯就首次发现了M32富含金属的性质，她推测仙女星系剥离了这个较小星系的大部分恒星。

更重要的是，2012年的一项研究表明，M32在20亿到50亿年前也曾经历过一次星暴，与仙女星系发生星暴的时间大致相同。“20亿年前存在一个明显的截止点。”德索萨说。因此，当M32停止形成恒星，仙女星系的盘也膨胀起来。20亿年这个数字也对应着仙女星系恒星晕中最年轻恒星的年龄。

像M32这样的紧凑椭圆星系“极其罕见”。德索萨和贝尔还指出，那些距离宿主星系很近的卫星星系都可能有一天会变成类似M32的紧凑椭圆星系。

然而，并非所有天文学家都相信M32 就是隔壁仙女星系大戏背后的罪魁祸首。“M32非常特别，”哈默承认，但他认为仙女星系已经完全消灭了入侵者。

哈默解释说，如此巨大的卫星星系承受着环绕行星运行的卫星所没有遭遇的阻力：动力学摩擦。一个巨大的卫星星系绕着一个巨星系旋转，在这个星系的暗晕中快速穿过暗物质。尽管没有人知道暗物质是什么；它既能感受到重力，又能施加重力。因此，当卫星星系穿过暗物质粒子时，暗物质粒子将使其减速并坠入巨星系中。

卫星星系的质量越大，它旋入的速度就越快。这就是为什么银河系最大的两个卫星星系——大小麦哲伦云最终会与银河系并合的原因。

仙女星系的大卫星星系面临着剧烈的动力学摩擦，因为卫星星系的恒星数量大约是大麦哲伦云的10倍。因此，哈默说，入侵星系迅速坠入仙女星系，不复存在，M32不可能是入侵星系的遗迹。尽管如此，M32确实与仙女星系同时发生了星暴。M32富含金属的性质也确实表明它曾经是一个更大的星系。

吉尔伯特称这是M32干扰仙女星系的间接证据。“但她承认这是一个有趣的情况。然而，M32的理论还面临着一个问题。这个小星系所在的位置可能表明它并非肇事者：它位于仙女星系盘的南部，而模拟表明，只有当幸存的入侵星系遗迹位于仙女星系的东部，才能产生我们所看到的巨型星流。

深潜其中 | 这张全景图是全波段哈勃仙女星系数据库（PHAT）的一部分，它是天文学家近距离观察仙女星系厚盘和恒星晕的几个研究项目之一。

“我认为我们将在几年内得到答案，”哈默说，“因为自行将告诉我们真相。”哈勃空间望远镜和盖亚卫星将测量M32的自行——它在天空中的横向视运动，以明确这个奇异的星系能否在正确的时间出现在正确的地点，从而引发了仙女星系的戏剧性事件。

无论关于M32的论断是什么，仙女星系的故事似乎与银河系截然不同，银河系在过去的80亿年里一直很安静。“当我们还是学生的时候，我们了解到的是'M31有点像银河系的双胞胎'，”威廉姆斯说，“但一旦你仔细研究它，就会发现M31与银河系有很多非常显著的不同之处。”

—— 节选自《中国国家天文》3月刊

作者简介

肯·克罗斯威尔（Ken Croswell）创作了一本关于银河系的书——《天堂炼金术：在银河系中寻找意义》。他在2023年8月刊上发表了关于银河系演化故事的专题文章。

译者简介

李海宁，中国科学院国家天文台研究员，主要从事银河系考古研究。曾翻译包括《天文学百科》在内的多部科普书籍。

本文经授权转载自微信公众号“中国国家天文”，原标题《吃瓜：邻居家的抓马大戏》。

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