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。
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。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,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。
仙女星系的恒星晕要比银河系的晕复杂得多。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。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。
仙女星系的星系盘完全没有薄盘,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。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,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。
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。
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。
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。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,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。
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',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。