與銀河由恒星所組成相對(duì)應(yīng)，對(duì)于可見(jiàn)的宇宙來(lái)說(shuō)，星系是其基本的結(jié)構(gòu)單元。由于恒星是在破碎的分子云中所形成，很多恒星在誕生的一刻就是成雙成對(duì)的，即我們所說(shuō)的雙星。
但對(duì)于星系來(lái)說(shuō)，由于大尺度的結(jié)構(gòu)形成是自下而上的，基本上不會(huì)有星系形成于“雙胞胎”之中。但是，在長(zhǎng)程的引力作用下，星系會(huì)在宇宙的演化過(guò)程中相互靠近，并形成引力上相互束縛的雙星系系統(tǒng)。我們的銀河系和仙女座大星云在未來(lái)就將如此。
在觀測(cè)上，這些雙星系系統(tǒng)構(gòu)成了我們常說(shuō)的星系對(duì)（圖1）。物理上，星系對(duì)中的星系會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜的相互作用，最終合并成一個(gè)新的星系。在20世紀(jì)70年代Toomre兄弟的一項(xiàng)重要研究之中，他們通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)旋渦星系在引力的相互作用下會(huì)形成和“天線星系”非常相似的潮汐尾，并最終形成一個(gè)橢圓狀星系（圖2）。這個(gè)重要發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟了星系演化過(guò)程中的一個(gè)重要研究方向：星系的并合過(guò)程。
圖1 著名的相互作用星系對(duì)Arp87（NGC3808），該星系位于獅子座，最早由著名天文學(xué)家威廉*赫歇爾所發(fā)現(xiàn)
圖2 Toomre 兄弟(1970)通過(guò)數(shù)值模擬首次發(fā)現(xiàn)兩個(gè)旋渦星系的并合過(guò)程中產(chǎn)生的潮汐尾（上）和“天線星系”（NGC4038）中的天線結(jié)構(gòu)（下）非常相似
現(xiàn)代的更高精度以及考慮更復(fù)雜物理過(guò)程的數(shù)值模擬表明，星系的并合是一個(gè)很長(zhǎng)時(shí)標(biāo)的過(guò)程。從兩個(gè)星系成為引力上相互束縛的星系對(duì)開(kāi)始到最終并合需要的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10到20億年。在這個(gè)過(guò)程中，兩個(gè)星系大部分時(shí)間處于星系對(duì)的狀態(tài)。我們可以把這種星系對(duì)的狀態(tài)比喻為一場(chǎng)雙人舞，二位舞者之間存在著復(fù)雜而激烈的互動(dòng)過(guò)程。
具體來(lái)說(shuō)，成員星系的形態(tài)會(huì)由于引力的潮汐作用而發(fā)生顯著變化，星系內(nèi)部的氣體會(huì)受到擾動(dòng)而觸發(fā)更多的恒星形成。如果這些被擾動(dòng)的氣體進(jìn)一步流向星系中心的黑洞區(qū)域，還會(huì)觸發(fā)或增強(qiáng)星系核中的活動(dòng)過(guò)程（參見(jiàn)圖3）。
圖3 數(shù)值模擬給出的星系對(duì)的并合過(guò)程。第一行給出的是星系對(duì)中星系形態(tài)的變化過(guò)程，下面的三行分別給出的是兩個(gè)星系之間的距離，星系中氣體的金屬豐度變化以及額外增加的恒星形成隨著時(shí)間的變化（圖片來(lái)自于Torrey et al. 2012年發(fā)表于ApJ的文章）
盡管這些數(shù)值模擬已經(jīng)初步構(gòu)建了一個(gè)星系并合過(guò)程的整體場(chǎng)景（見(jiàn)補(bǔ)充材料1），但是由于模擬不可能考慮所有的物理過(guò)程，真實(shí)的星系并合過(guò)程還有待觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證與探索。
和雙星不同的是，星系的繞轉(zhuǎn)以及并合時(shí)標(biāo)對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)太長(zhǎng)了，我們沒(méi)有辦法通過(guò)觀測(cè)去追蹤任意一個(gè)真實(shí)星系對(duì)之間將要發(fā)生的物理過(guò)程。幸運(yùn)的是，宇宙在對(duì)人類(lèi)關(guān)上了“時(shí)標(biāo)”這扇門(mén)的同時(shí)，打開(kāi)了一扇“空間”的窗戶。
如果能夠觀測(cè)到宇宙中大量的星系對(duì)樣本，那么根據(jù)宇宙學(xué)原理，我們可以知道這些不同的星系對(duì)必然處于星系-星系并合過(guò)程中的不同狀態(tài)。也就是說(shuō)，根據(jù)大樣本的星系對(duì)的統(tǒng)計(jì)描述，就可以在一定程度上反演出星系對(duì)的并合過(guò)程。
我們的研究正是基于這樣的統(tǒng)計(jì)原理揭示了星系對(duì)中星系的演化過(guò)程。這項(xiàng)研究基于目前天文學(xué)研究中最大的星系對(duì)樣本（參見(jiàn)補(bǔ)充材料2），通過(guò)構(gòu)建二元光度函數(shù)的統(tǒng)計(jì)方法首次精確地刻畫(huà)了各種不同亮度的星系在概率上是如何成雙成對(duì)的（論文全文見(jiàn)補(bǔ)充材料3）。
基于這種統(tǒng)計(jì)上的精確刻畫(huà)，我們的研究進(jìn)一步解碼出了星系并合過(guò)程中發(fā)生的各種微妙的物理過(guò)程。首先，通過(guò)比較星系對(duì)中星系的行為與其舞伴的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，星系—星系之間的雙人舞從相距50萬(wàn)光年之遠(yuǎn)開(kāi)始進(jìn)行。在更遠(yuǎn)的距離上，兩個(gè)星系可能看上去像個(gè)星系對(duì)，但是它們之間卻毫無(wú)相互影響，它們各自的行為完全是一場(chǎng)“單人show”。
在星系的雙人舞開(kāi)場(chǎng)之后，這場(chǎng)華爾茲的時(shí)間取決于舞蹈中的兩位成員的“體重”。也許是因?yàn)槲璧柑^(guò)耗散能量，主導(dǎo)成員的質(zhì)量越大，這場(chǎng)舞蹈的時(shí)間就越短。最后，在這場(chǎng)舞蹈的高潮階段，二位舞者迎來(lái)了各自的“高光時(shí)刻”，觸發(fā)了更多的恒星形成，這個(gè)“高光時(shí)刻”的時(shí)間可以達(dá)2億年之久。
這項(xiàng)統(tǒng)計(jì)研究所解鎖的信息，有一些和數(shù)值模擬的結(jié)果比較一致，比如星系“高光時(shí)刻”的時(shí)間長(zhǎng)度；有一些和數(shù)值模擬的結(jié)果相近但卻不完全一致，比如星系雙人舞的總時(shí)間長(zhǎng)度；還有一些簡(jiǎn)單結(jié)論（比如星系雙人舞開(kāi)始時(shí)之間的距離）則給未來(lái)的觀測(cè)和理論研究提供了更好的參照。
要想進(jìn)一步解鎖星系并合過(guò)程，我們還需要更多更好的觀測(cè)數(shù)據(jù)，比如更深的圖像曝光可以直接揭示星系雙人舞之間是否存在一些隱秘的物質(zhì)交流？不管觀測(cè)數(shù)據(jù)如何，人類(lèi)的時(shí)標(biāo)實(shí)在太短，要想完全捕捉星系并合過(guò)程，我們只有依賴無(wú)限宇宙中的各種截圖，依據(jù)這些截圖和我們的大腦，我們最終才有望欣賞一部完整的真實(shí)而絢麗的星系華爾茲。
補(bǔ)充材料：
1. 星系并合過(guò)程的數(shù)值模擬電影可參見(jiàn)https://vimeo.com/22304584。
2. 對(duì)于星系對(duì)中兩個(gè)靠得很近的星系來(lái)說(shuō)，單一的光纖光譜巡天由于光纖碰撞通常只能觀測(cè)其中一個(gè)星系，剩余的另外一個(gè)星系只能由其它的觀測(cè)所補(bǔ)充。郭守敬望遠(yuǎn)鏡巡天中的一個(gè)重要的觀測(cè)樣本就是對(duì)斯隆數(shù)字巡天中由于光纖碰撞效應(yīng)而遺漏的星系進(jìn)行補(bǔ)充觀測(cè)。因此，這二者的結(jié)合構(gòu)成了目前為止最大的星系對(duì)的觀測(cè)樣本（圖4），從而為這項(xiàng)大樣本統(tǒng)計(jì)研究奠定了基礎(chǔ)。
圖4 一個(gè)典型星系對(duì)的觀測(cè)和證認(rèn)過(guò)程。其中，兩個(gè)星系的光譜觀測(cè)先后由斯隆數(shù)字巡天（藍(lán)色）和郭守敬望遠(yuǎn)鏡（紅色）完成。只有同時(shí)獲得兩個(gè)星系的紅移（距離），才能最終證認(rèn)這兩個(gè)星系是在空間中是真實(shí)的成對(duì)還是由投影效應(yīng)所造成。
3. 論文全文見(jiàn)預(yù)印本網(wǎng)站https://arxiv.org/abs/1905.07276。
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)
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