距離我們「很近」的鄰居仙女星系，一直被認為和銀河系是姊妹星系，但越來越多的證據表明仙女星系的歷史更復雜，在恒星暈、恒星分布和速度彌散等方面都與銀河系有顯著差異。而這一切，天文學家認為是仙女星系經歷了一系列戲劇性事件造成的。
撰文 | 肯·克羅斯韋爾（Ken Croswell）
轉譯 | 李軒寧
M31仙女星系。
巨大的仙女星系莊嚴而寧靜，統治著一個由附屬星系組成的龐大帝國，比如衛星星系M32和M33。我們的銀河系亦是如此。這兩個巨大的旋渦星系共同統治著周圍的星系：雖然本星系群擁有一百多個星系，但其中大多數都是這兩個超級大國之一的衛星星系。而本星系群那些閃閃發光的恒星絕大多數要麽在銀河系，要麽在仙女星系。
天文學家一直認為這兩個大星系是姊妹星系。但越來越多的證據表明，仙女星系的經歷要復雜得多。研究表明，除了仙女星系和銀河系之外，本星系群還曾擁有另一個大型旋渦星系。大約60億年前，這個星系闖入仙女星系暗暈的邊界，隨後在20億年前墜入仙女星系的星系盤中。這個入侵者攪動仙女星系的氣體和塵埃的同時，也引發了新的恒星形成和超新星爆炸，照亮了仙女星系的整個恒星盤。
梵蒂岡天文台的李察·德索薩表示，「仙女星系的吸積歷史與銀河系非常不同，它所吸積的物質比銀河系一生中吸積的還要多得多。」數十億顆來自入侵旋渦星系的恒星飛濺到仙女星系的恒星暈中。更重要的是，這個入侵星系的致密核心可能以奇怪的橢圓星系M32的形式存留至今。「M32是一個非常奇怪的‘野獸’。」德索薩說，他認為M32的怪異性質源於它在這場鄰家大戲中扮演的角色。
不同的天體暈
盡管仙女星系距離我們很近——離地球只有250萬光年——但天文學家們也花了一些時間才意識到隔壁發生的一系列戲劇性事件。
圍繞著銀河系的螺旋狀銀盤（太陽所在的地方），彌散的銀暈裏居住著古老的恒星。這些暈星的鐵和其他金屬含量比太陽低得多。由於它們的年齡很老，暈星記錄了我們銀河系的古代歷史以及原始宇宙的化學成分。盡管恒星暈很重要，但它只占銀河系總恒星質素的一小部份，大約相當於10億個太陽，僅占銀河系總恒星質素（600億個太陽質素）的2%。
古老，質素占比低，且金屬含量低。多虧了蓋亞衛星，我們現在知道， 銀河系的大部份恒星暈來自一個在80到110億年前撞向我們家園星系的星系 。這個星系的恒星質素可能介於大麥哲倫雲和小麥哲倫雲之間——它們倆是目前繞銀河系執行的，最明亮的兩個星系。
但仙女星系的恒星暈並非如此。20世紀80到90年代，天文學家發現仙女星系的恒星暈富含金屬。甚至一些天文學家最初認為他們所看到的不可能是一個星系暈。
金色的暈 | 黃色和橙色的點表示仙女星系暈中富金屬恒星，這表明它們的鐵氫比很高。銀河系暈中的大多數恒星都是貧金屬星，在相同的金屬豐度尺度上，它們會是綠色或藍色的。富含金屬的恒星，包括巨型星流中的恒星，可能來自一個相當大的星系。圖中標識了仙女星系盤和重疊的矮橢圓星系M32的位置，但沒有展示出來。上方、右側和下方的灰色實線勾勒出泛仙女星系考古巡天（Pan-Andromeda Archeological Survey）的範圍。
隨後的2001年，法國斯特拉斯堡天文台的羅德裏戈·伊巴塔和他的同事在仙女星系的星系暈中發現了一條星流。「這是一條巨型星流，絕對是不尋常的。」法國巴黎天文台的弗朗索瓦·哈默也表示，「銀河系中雖然也有星流，但比這小得多。」
巨型星流延伸到仙女星系中心以南33萬光年的空間，是太陽到大麥哲倫雲距離的兩倍。這條星流中成員恒星的鐵氫比約為太陽的45%，相比我們銀河系的恒星暈富含更多的金屬，在我們銀河系中，這一比例通常只有1%到10%。
而且仙女星系並不只有這一條星流。「仙女星系的恒星暈要比銀河系的暈復雜得多，」哈默說。仙女星系的恒星暈所包含的恒星總量達到200億倍太陽質素，是銀河系的20倍。
多樣的恒星暈 | 巨星系的恒星暈可以具有非常不同的質素和金屬豐度，這取決於落入其中的星系的大小。吸積了大量物質的星系，如仙女星系（紅色部份）和草帽星系，擁有巨大的、富金屬的恒星暈，而旋渦星系，如銀河系（藍色部份）和M101，擁有低質素的、貧金屬的恒星暈。
不同的星系盤
德索薩說，接下來的十年見證了另一個變革性的發現。仙女星系再一次被證明與銀河系完全不同。
包括太陽在內的大多數銀河系恒星都屬於薄盤，這是一個薄餅狀的結構，占據太陽附近從上到下2000光年厚的空間。這些恒星在銀盤面附近沿近圓軌域圍繞銀河系中心執行。雖然它們運動得很快，但由於開始時相對於彼此的速度較低，這就形成了所謂的低速度彌散。
但是，當薄盤恒星在太空中快速穿行時，它們會遇到旋臂和巨大的星際氣體雲，這些氣體雲的重力將恒星往上下左右前後推擠。因此，在漫長的時間裏，恒星越來越偏離它們圍繞銀河系中心的原始路徑，彼此之間獲得更大的速度，從而獲得更大的速度彌散。
銀河系也有一個更為古老的恒星盤——厚盤——它的恒星垂直於銀盤的距離是大多數薄盤恒星的三倍。因此，這些厚盤恒星具有更高的速度彌散。然而，在銀河系中，包括太陽在內的大多數盤星屬於薄盤，而不是厚盤。
仙女星系的情況卻並非如此。「仙女星系的星系盤完全沒有薄盤，」哈默說。「這是一個厚盤。」
這一發現要追溯到2015年，當時加州大學聖塔克魯茲分校的研究生基利爾·多爾曼和她的同事觀測了仙女星系盤中恒星的都卜勒頻移，透過這一頻移可以表明恒星靠近和遠離我們的速度有多快。雖然這些測量表明最年輕的恒星具有相當低的速度彌散，但令人難以置信的是，年齡超過20 億年的恒星具有非常高的速度彌散。這意味著它們必須在遠離仙女星系銀盤面的上方和下方隆起，形成一個厚盤。
仙女星系的恒星盤厚度約為5000光年，與銀河系的厚盤相當。但仙女星系厚盤上的年輕恒星表明，它的形成時間要比銀河系厚盤晚得多，僅僅誕生於20億年前。
年輕的星系暈 | 與銀河系不同的是，仙女星系的星系暈中包含年齡只有20億年的恒星，而大約在同一時 間，它的星系盤在遭遇一個大星系的撞擊後膨脹起來。
此外，就在仙女星系被激發之際，一場恒星「野火」席卷了整個星系盤。「2015年左右，人們開始註意到，無論哈勃望遠鏡在哪裏觀測仙女星系，他們幾乎總能發現年齡在2億年到40億年之間的恒星數量過多。」主持了一項相關研究的華盛頓大學的本傑明·威廉士這樣說道： 在那個時候，仙女星系一定是一個奇觀，明亮的年輕恒星和超新星爆發在其星系盤上閃閃發光。
宇宙巧合 | 矮橢圓星系M32在20到50億年前形成了許多恒星，與此同時仙女星系也形成了許多恒星。這一巧合表明，較小的星系可能觸發了較大星系的星暴。
大星系入侵者
2018年，哈默和他的同事，以及德索薩和貝爾獨立提出了一個理論來解釋仙女星系的所有奇異特性： 它巨大的、富含金屬的恒星暈，起伏膨脹的星系盤，以及20億年前發生的星暴事件 。這個想法很簡單：一個大約有銀河系恒星質素40%的大星系在20億年前繞著仙女星系旋轉，然後撞到了仙女星系的星系盤上。
「觀測證據確實傾向於 仙女星系可能經歷了一次重大並合事件。 」空間望遠鏡科學研究所的卡羅琳·吉爾伯特補充說：這很令人驚訝，因為一次大碰撞可能會破壞仙女星系的星系盤。
根據這個新觀點，仙女星系的重力將一些恒星從巨大的入侵星系中撕裂出來——這些恒星被纏繞在仙女星系的恒星暈中。這就解釋了為什麽仙女星系的恒星暈如此巨大： 被瓦解的星系本身很大 ，攜帶著大約250億個太陽質素的恒星。由於較大的星系富含金屬，這也解釋了為什麽仙女星系的恒星暈亦是富含金屬的。
年輕的星流 | 仙女星系暈中最引人註目的特征是巨型星流，它其中的恒星覆蓋了廣泛的年齡範圍，包括20億年前形成的恒星。它們可能來自同一時間撞擊仙女星系的大星系。
這次撞擊攪動了仙女星系盤中的恒星，使其變厚。哈默表示：「除了最近進行一次大規模並合之外，沒有其他方法可以復現這種結局。」雖然早期的模擬已經成功地透過與一個小得多的星系的碰撞創造了巨型星流，但那無法充分震動仙女星系的星系盤。這次大碰撞還將氣體雲聚集在一起，導致它們塌縮，並在仙女星系的星系盤上產生新的恒星，最終引發了20億至40億年前的大規模星暴。
像所有大星系一樣， 這個入侵星系也有自己的衛星星系 ，而那些較小的星系現在圍繞仙女星系執行。這些衛星星系有一個共同的特點：「它們在大約60億年前停止恒星形成，當時它們所有的恒星都落入其中，並且氣體被剝離。」貝爾說。他認為，這可以用於追溯入侵星系並入仙女星系影響範圍的時間。這個入侵星系比它的衛星星系大得多， 它保留了足夠的氣體，直到20億年前仍在形成恒星。
M32，入侵幸存者？
德索薩和貝爾相信 撞擊仙女星系的大星系的殘骸 仍然存在。他們說， 最初的星系是一個旋渦星系，它的旋臂被仙女星系的重力剝離，只留下一個致密的核心 ：小而緊湊的橢圓星系 M32 。
外圍的矮星系 | 奇怪的矮橢圓星系M32似乎位於仙女星系的前方，它可能是一個約20億年前撞上這一巨大旋渦星系的更大星系的殘骸。
M32距離仙女星系中心只有24角分，比圍繞這個大星系執行的其他幾十個星系都要近。如果這兩個星系到我們的距離相等，那麽它們彼此之間的距離只有17000光年。這只是太陽到銀河系中心距離的三分之二。
但是沒有人知道M32位元於仙女星系前面或後面多遠的地方，所以M32到仙女星系中心的真實距離是不確定的。不過仙女星系的塵埃帶沒有遮擋M32，表明這個較小的星系應該位於仙女星系的前景。
不管它的確切位置是什麽，M32都不是充滿古老恒星的典型橢圓星系。「M32擁有年輕的恒星，」貝爾說，「它屬於非常奇怪的異類：一個年輕的、超緊湊的、具有太陽金屬豐度的橢圓星系，它的質素比大麥哲倫雲小。這完全不可理喻。」德索薩註意到M32的奇怪成分：「從金屬豐度上看，它的質素應該比實際大100倍。」
當然， 如果M32曾經是一個大得多的星系，這一切就說得通了 。早在1972年，加州大學聖克魯茲分校的珊迪娜·費伯就首次發現了M32富含金屬的性質，她推測仙女星系剝離了這個較小星系的大部份恒星。
更重要的是，2012年的一項研究表明，M32在20億到50億年前也曾經歷過一次星暴，與仙女星系發生星暴的時間大致相同。「20億年前存在一個明顯的截止點。」德索薩說。因此，當M32停止形成恒星，仙女星系的盤也膨脹起來。20億年這個數碼也對應著仙女星系恒星暈中最年輕恒星的年齡。
像M32這樣的緊湊橢圓星系「極其罕見」。德索薩和貝爾還指出，那些距離宿主星系很近的衛星星系都可能有一天會變成類似M32的緊湊橢圓星系。
然而，並非所有天文學家都相信M32 就是隔壁仙女星系大戲背後的罪魁禍首。「M32非常特別，」哈默承認，但他認為 仙女星系已經完全消滅了入侵者 。
哈默解釋說，如此巨大的衛星星系承受著環繞行星執行的衛星所沒有遭遇的阻力： 動力學摩擦 。一個巨大的衛星星系繞著一個巨星系旋轉，在這個星系的暗暈中快速穿過暗物質。盡管沒有人知道暗物質是什麽；它既能感受到重力，又能施加重力。因此，當衛星星系穿過暗物質體子時，暗物質體子將使其減速並墜入巨星系中。
衛星星系的質素越大，它旋入的速度就越快。這就是為什麽銀河系最大的兩個衛星星系——大小麥哲倫雲最終會與銀河系並合的原因。
仙女星系的大衛星星系面臨著劇烈的動力學摩擦，因為衛星星系的恒星數量大約是大麥哲倫雲的10倍。因此，哈默說，入侵星系迅速墜入仙女星系，不復存在，M32不可能是入侵星系的遺跡。盡管如此， M32確實與仙女星系同時發生了星暴。M32富含金屬的性質也確實表明它曾經是一個更大的星系 。
吉爾伯特稱這是M32幹擾仙女星系的間接證據。「但她承認這是一個有趣的情況。然而，M32的理論還面臨著一個問題。 這個小星系所在的位置可能表明它並非肇事者 ：它位於仙女星系盤的南部，而模擬表明，只有當幸存的入侵星系遺跡位於仙女星系的東部，才能產生我們所看到的巨型星流。
深潛其中 | 這張全景圖是全波段哈伯仙女星系數據庫（PHAT）的一部份，它是天文學家近距離觀察仙女星系厚盤和恒星暈的幾個研究專案之一。
「我認為 我們將在幾年內得到答案 ，」哈默說，「因為自行將告訴我們真相。」哈伯空間望遠鏡和蓋亞衛星將測量 M32的自行 ——它在天空中的橫向視運動，以明確這個奇異的星系能否在正確的時間出現在正確的地點，從而引發了仙女星系的戲劇性事件。
無論關於M32的論斷是什麽，仙女星系的故事似乎與銀河系截然不同，銀河系在過去的80億年裏一直很安靜。「當我們還是學生的時候，我們了解到的是'M31有點像銀河系的雙胞胎'，」威廉士說，「但一旦你仔細研究它，就會發現M31與銀河系有很多非常顯著的不同之處。」
—— 節選自【中國國家天文】3月刊
作者簡介
肯·克羅斯威爾（Ken Croswell） 創作了一本關於銀河系的書——【天堂煉金術：在銀河系中尋找意義】。他在2023年8月刊上發表了關於銀河系演化故事的專題文章。
譯者簡介
