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未来,对于我们而言,总是充满不确定性。但对天文学家来说,未来的一些事件却是几乎可以预测的:大约10亿年后,太阳逐渐变亮,地球将变得不再宜居;大约50亿年后,太阳耗尽燃料,最终会“熄灭”;而同样是在大约50亿年后,地球所在的银河系将与邻近的仙女星系并合,形成一个更大的椭圆星系。
不过,一项发表在《自然·天文》杂志上的新研究却告诉我们:银河系和仙女星系的未来,其实并没有我们想象中那么确定。那么,这项研究到底发现了什么?我们先从两个主角——银河系和仙女星系——开始说起。
银河系和仙女星系是本星系群的两大主要成员。除了这两大旋涡星系,本星系群还包含了约100个已知的小型星系,可能还有其他尚未被发现的星系。早在1912年,天文学家就首次测量了仙女星系的径向速度——即沿着我们视线方向的运动速度。结果表明,仙女星系的径向速度是负的,换句话说,它正在向银河系靠近。
然而,除了径向速度,仙女星系还会沿着垂直于我们视线的方向“横向”运动,这种运动被称为自行。对于距离我们极远的星系来说,测量它们的自行是非常困难的。早期,天文学家只能通过间接方法推测仙女星系的自行,直到2012年,哈勃太空望远镜才首次成功直接测量到仙女星系的微小自行。
哈勃的观测结果支持了银河系和仙女星系未来发生正面碰撞并合的假设,这一观点随后成为了天文学界的共识,并被广泛写入教科书。
但最新的研究却对这一确定的未来提出了质疑。研究人员重新审视了哈勃太空望远镜(HST)和盖亚(Gaia)任务的观测数据,并考虑了数据中的不确定性。除了星系在天空中的位置外,几乎所有的关键参数——例如星系的实际距离、径向速度、自行、总质量等——都存在不可忽视的不确定性。
为了探究这些不确定性对银河系与仙女星系未来演化的影响,研究人员考虑了22个关键变量,并进行了10万次的模拟,来预测未来100亿年内星系的演化路径。模拟的核心方法是,在每个参数的误差范围内随机选取一个可能值,然后进行100亿年的模拟,看看银河系和仙女星系是发生碰撞、擦肩而过,还是继续绕行。
研究还特别考虑了两个星系的影响:一个是仙女星系的卫星星系M33;另一个是银河系的卫星星系大麦哲伦云。M33的引力让银河系和仙女星系靠得更近,从而增加了它们并合的可能性;而大麦哲伦云则会使银河系偏离与仙女星系直接相撞的轨道,从而降低碰撞的几率。
综合考虑这些因素后,研究人员发现:
1、银河系和仙女星系在未来40到50亿年内发生正面碰撞的概率很低,只有2%;
2、而在未来100亿年内,它们直接相撞的概率大约是50%。如果没有相撞,那么它们将彼此绕行。这是一种更加温和的结局。
目前最大的未知因素是仙女星系的自行。即使是微小的变化,也可能决定银河系和仙女星系的最终命运。未来更精确的观测将帮助我们更准确地测量这一数值,从而接近一个更明确的答案。
那么我们应该为未来的银河系并合而担忧吗?从某种程度上来说,不必过于担心。即使银河系和仙女星系现在就开始并合,也不一定会对地球带来毁灭性的影响。原因在于,星系内的恒星之间距离非常遥远,因此发生直接碰撞的几率极低。
更重要的是,正如文章开头所提到的,地球将在10亿年内因为太阳变热而不再宜居;太阳也将在50亿年内耗尽燃料,最终变成白矮星。因此,无论银河系和仙女星系是否并合,对人类文明的影响可能远不如太阳的演化对地球环境的改变来得直接和迫切。
本文为科普中国·创作培育计划扶持作品
作者:陈佳君 科普作者
审核:韩文标 中国科学院上海天文台 研究员
出品:中国科协科普部
监制:中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司
来源: 科普中国创作培育计划
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