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银河系曾与仙女座星系碰撞过?

银河系最终的命运早已确定。现离我们约有250万光年的仙女座星系正以每秒300多千米的速度向银河系驶来。大约再过40亿年,两个星系会发生碰撞。那时,星系内许多恒星、行星和星云会被甩离原星系,而一些星云的碰撞也会催生出一批新的恒星。幸存下来的恒星、行星和星云将会组成一个更大的椭圆星系。
上面描述的是银河系灾难性的未来。但你想不到的是,银河系似乎在过去就曾与仙女座星系发生过一次碰撞。这是怎么回事呢?

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奇怪的矮星系分布

这个问题首先是从一个小问题开始的:围绕银河系的那些很小的星系,即矮星系,有着奇怪的空间分布。
事实上,早在20世纪70年代,就有天文学家指出,围绕银河系的矮星系并不是随机分布的,看起来好像是某些东西把它们拉到特定的位置上,可能是一个更大的星系解体留下的碎屑流。但矮星系分布问题逐渐被人们冷落,因为在当时,大家一窝蜂地都去研究暗物质了。
现在,天文学家认为,在早期宇宙中,初始的暗物质分布存在着微小的不均匀性,在自身的引力作用下,暗物质在初始密度高的地方聚集,最终发生坍缩,并把周围普通物质也卷入进去,最终形成了旋转的盘状物质——星系。
根据上面的理论做出的计算机模拟,与天文学观测的结果很符合。所以我们相信,大多数的星系都“镶嵌”在一团暗物质晕当中。
但这些模拟暴露出一个问题:按理说,当暗物质坍缩为一团暗物质晕时,在周围会留有一些小的暗物质碎块,这些碎块会捕获普通物质,最终在母星系周围形成矮星系,这些矮星系应该是随机形成的。但令人尴尬的是,最近所做的观测显示,银河系周围的矮星系并不是随机分布的:这些矮星系构成了一个环状结构,而且这个环所在的平面与银河系的盘面夹角大致为直角。
许多天文学家对上面的小尴尬不以为然。也许,只是因为我们还没看到所有的矮星系而已。但是,来自德国的天文学家还研究了银河系周围其他天体,包括球状星团(比矮星系小的球形恒星集合)和恒星流(由众多恒星组成的链状结构,被认为是矮星系分裂后形成的)。他们发现这些天体的分布也与矮星系的类似。

意想不到的碰撞

为了解释这一切,一些天文学家们提出了一个惊世骇俗的观点——这可能是星系间的碰撞产生的碎片。于是,他们进行了计算机模拟,结果表明银河系的矮星系的确有可能是因星系碰撞产生的。
不过,是谁曾在过去与银河系交手过?
天文学家们始终没有找到合适的候选者,直到2013年,来自法国斯特拉斯堡天文台的观测结果显示,仙女座星系周围的矮星系也有着类似的环状结构。仙女座星系盘上方的矮星系在远离我们,而下方的矮星系在靠近我们,表明这些矮星系是处在一个旋转的环形结构中。另外,这个环形结构所处的平面与银河系的大致都在一个平面上。这一切似乎都在说,这两个星系曾发生过碰撞。
这怎么可能呢?即使把假定的暗物质都考虑进去,仙女座星系与银河系也没有足够的质量,或者说足够的引力,在过去及时拉到一起来发生一次碰撞。
所以,这是一个僵局,除非引力本身存在着问题。

修改引力

牛顿和爱因斯坦的理论都假定,引力的强度与两个物体之间距离的平方成反比。经过300多年的探索,我们发现这个理论在太阳系内的确是成立的。但在太阳系外呢?我们从来没有在更大的尺度下进行过测试。
其实,引力在各个地方的表现并不是一样的,这种观点早在上个世纪80年代就提出过,为的是替代暗物质模型。这种理论叫做修正牛顿动力学。
修正牛顿动力学是说引力场在相对较弱的情况下,其强度不与距离的平方成反比,而是随着距离的增加衰减得更加平缓。根据这种引力理论,仙女座星系与银河系之间的引力比传统计算的要大得多。
 2014年,一些天文学家经过分析发现,如果修正牛顿动力学是正确的,那么银河系和仙女座星系就有足够的引力在70亿到110亿年前,发生过一次碰撞。
尽管我们从来没有检测过引力强度在很弱的引力场下究竟怎样,但是许多物理学家都不喜欢去修改引力理论。另外,修正牛顿动力学不是万能的,在许多星系或星系团中,我们仍然需要有暗物质的存在,来把这些天体内的物质都聚在一起。
总之,修正牛顿动力学无法完美解决问题。

超流体暗物质

一些美国物理学家提议,还可以用“超流体暗物质”解决此问题。
超流体,是一种处在玻色-爱因斯坦凝聚态的物质。玻色-爱因斯坦凝聚态是一个与固体、液体和气体完全不同的物质状态,是某些原子一旦低于特定的温度时,它们的行为如同一个单一的原子,而且内部物质流动时是没有阻力的。当温度上升时,它们很快会恢复到正常状态。
如果暗物质粒子可以进入玻色-爱因斯坦凝聚态,那么就可以解决许多问题。在相对较弱的引力场下,暗物质移动缓慢,温度很低,它会进入玻色-爱因斯坦凝聚态,因为行为如同一个单一的粒子,意味着其质量或能量是均匀分散到它所存在的范围里,时空弯曲得会更加平缓,产生了类似修正牛顿动力学中的引力。这样一来,银河系和仙女座星系就能有机会在过去发生过一次碰撞。
那么,为什么我们没有在太阳系内察觉到这个现象?
因为我们身边有个太阳。太阳系内是一个引力场较强的地方,暗物质无法在这里进入玻色-爱因斯坦凝聚态。每个银河系的恒星附近也是这样。不过,我们的星系以及所有其他的星系之间,距离很远,所以在整个银河系中,超流体暗物质仍占主导地位。
现在,这些物理学家正利用计算机模型来研究超流体暗物质如何影响星系的碰撞,然后再去找哪些天文学观测可以验证此理论,以及还准备在实验室中寻找有哪些低温下的原子会产生类似的效果。如果有的话,也许我们可在实验室中用冷原子气体来模拟星系。

巨大的差距

许多科学家认为,不管是修正牛顿动力学,还是超流体暗物质理论,这些都是不必要的,这就像用大炮打蚊子——大刀破斧地修改理论只是为了解决矮星系分布的小问题。
一些天文学家还推测,矮星系的分布问题,可能只是因为当前计算机的计算能力有限导致的。但模拟与现实之间的差距是很明显的。银河系矮星系构成的环形结构直径约50万光年,但厚度不超过5万光年。但是计算机根据现有理论模拟出的环形结构,其厚度始终都大于100万光年。这差距太大了,可不是个小问题。
当然,这一切并不会影响银河系最终的命运。
当我们的星系走向终结时,我们可安详地欣赏星系大碰撞带来的巨大的“烟火表演”。不过,如果我们真的需要修改引力或暗物质理论的话,一个可以确定的事情是,这场“烟火表演”发生的时间应该会比我们所预期的要早很多。

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