與銀河由恒星所組成相對應(yīng)，對于可見的宇宙來說，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的，即我們所說的雙星。

但對于星系來說，由于大尺度的結(jié)構(gòu)形成是自下而上的，基本上不會有星系形成于“雙胞胎”之中。但是，在長程的引力作用下，星系會在宇宙的演化過程中相互靠近，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就將如此。

在觀測上，這些雙星系系統(tǒng)構(gòu)成了我們常說的星系對（圖1）。物理上，星系對中的星系會經(jīng)歷復(fù)雜的相互作用，最終合并成一個新的星系。在20世紀(jì)70年代Toomre兄弟的一項重要研究之中，他們通過簡單的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，兩個旋渦星系在引力的相互作用下會形成和“天線星系”非常相似的潮汐尾，并最終形成一個橢圓狀星系（圖2）。這個重要發(fā)現(xiàn)開啟了星系演化過程中的一個重要研究方向：星系的并合過程。

圖1 著名的相互作用星系對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)通過數(shù)值模擬首次發(fā)現(xiàn)兩個旋渦星系的并合過程中產(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)雜物理過程的數(shù)值模擬表明，星系的并合是一個很長時標(biāo)的過程。從兩個星系成為引力上相互束縛的星系對開始到最終并合需要的時間長達(dá)10到20億年。在這個過程中，兩個星系大部分時間處于星系對的狀態(tài)。我們可以把這種星系對的狀態(tài)比喻為一場雙人舞，二位舞者之間存在著復(fù)雜而激烈的互動過程。

具體來說，成員星系的形態(tài)會由于引力的潮汐作用而發(fā)生顯著變化，星系內(nèi)部的氣體會受到擾動而觸發(fā)更多的恒星形成。如果這些被擾動的氣體進(jìn)一步流向星系中心的黑洞區(qū)域，還會觸發(fā)或增強(qiáng)星系核中的活動過程（參見圖3）。

圖3 數(shù)值模擬給出的星系對的并合過程。第一行給出的是星系對中星系形態(tài)的變化過程，下面的三行分別給出的是兩個星系之間的距離，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間的變化（圖片來自于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)建了一個星系并合過程的整體場景（見補(bǔ)充材料1），但是由于模擬不可能考慮所有的物理過程，真實(shí)的星系并合過程還有待觀測數(shù)據(jù)來進(jìn)行進(jìn)一步的驗證與探索。

和雙星不同的是，星系的繞轉(zhuǎn)以及并合時標(biāo)對于人類來說太長了，我們沒有辦法通過觀測去追蹤任意一個真實(shí)星系對之間將要發(fā)生的物理過程。幸運(yùn)的是，宇宙在對人類關(guān)上了“時標(biāo)”這扇門的同時，打開了一扇“空間”的窗戶。

如果能夠觀測到宇宙中大量的星系對樣本，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必然處于星系-星系并合過程中的不同狀態(tài)。也就是說，根據(jù)大樣本的星系對的統(tǒng)計描述，就可以在一定程度上反演出星系對的并合過程。

我們的研究正是基于這樣的統(tǒng)計原理揭示了星系對中星系的演化過程。這項研究基于目前天文學(xué)研究中最大的星系對樣本（參見補(bǔ)充材料2），通過構(gòu)建二元光度函數(shù)的統(tǒng)計方法首次精確地刻畫了各種不同亮度的星系在概率上是如何成雙成對的（論文全文見補(bǔ)充材料3）。

基于這種統(tǒng)計上的精確刻畫，我們的研究進(jìn)一步解碼出了星系并合過程中發(fā)生的各種微妙的物理過程。首先，通過比較星系對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50萬光年之遠(yuǎn)開始進(jìn)行。在更遠(yuǎn)的距離上，兩個星系可能看上去像個星系對，但是它們之間卻毫無相互影響，它們各自的行為完全是一場“單人show”。

在星系的雙人舞開場之后，這場華爾茲的時間取決于舞蹈中的兩位成員的“體重”。也許是因為舞蹈太過耗散能量，主導(dǎo)成員的質(zhì)量越大，這場舞蹈的時間就越短。最后，在這場舞蹈的高潮階段，二位舞者迎來了各自的“高光時刻”，觸發(fā)了更多的恒星形成，這個“高光時刻”的時間可以達(dá)2億年之久。

這項統(tǒng)計研究所解鎖的信息，有一些和數(shù)值模擬的結(jié)果比較一致，比如星系“高光時刻”的時間長度；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間長度；還有一些簡單結(jié)論（比如星系雙人舞開始時之間的距離）則給未來的觀測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程，我們還需要更多更好的觀測數(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？不管觀測數(shù)據(jù)如何，人類的時標(biāo)實(shí)在太短，要想完全捕捉星系并合過程，我們只有依賴無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. 星系并合過程的數(shù)值模擬電影可參見https://vimeo.com/22304584。

2. 對于星系對中兩個靠得很近的星系來說，單一的光纖光譜巡天由于光纖碰撞通常只能觀測其中一個星系，剩余的另外一個星系只能由其它的觀測所補(bǔ)充。郭守敬望遠(yuǎn)鏡巡天中的一個重要的觀測樣本就是對斯隆數(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。因此，這二者的結(jié)合構(gòu)成了目前為止最大的星系對的觀測樣本（圖4），從而為這項大樣本統(tǒng)計研究奠定了基礎(chǔ)。

圖4 一個典型星系對的觀測和證認(rèn)過程。其中，兩個星系的光譜觀測先后由斯隆數(shù)字巡天（藍(lán)色）和郭守敬望遠(yuǎn)鏡（紅色）完成。只有同時獲得兩個星系的紅移（距離），才能最終證認(rèn)這兩個星系是在空間中是真實(shí)的成對還是由投影效應(yīng)所造成。

3. 論文全文見預(yù)印本網(wǎng)站https://arxiv.org/abs/1905.07276。

來源：中國科學(xué)院國家天文臺

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