在大約五十億年後，當太陽膨脹成一顆紅巨星，其直徑Roughly相當於地球繞太陽公轉的軌道直徑時，我們的星系將與它最近的大鄰居仙女座星系發生碰撞。隨著引力將這對星系拉近，進行一次近距離接觸，恆星將從它們的軌道上被撕裂，形成壯觀的尾巴，氣體和塵埃將被擠壓向接近的星系核，摧毀那些在宇宙年齡的四分之三的時間裡一直存在的莊嚴宏偉的螺旋星系。
最終，星系的中心將合併，湧向中心的氣體將點燃恆星形成的爆發，產生的恆星速度將比現在這兩個星系的任何一個都快100多倍。它還將餵養潛伏在兩個星系中心的現在平靜的超大質量黑洞。黑洞將增長，同時釋放出強烈的能量粒子和輻射風暴，這將輕易地超過兩個星系中所有恆星的光芒總和。大約1億年後，這兩個超大質量黑洞將螺旋式地相互靠近，並在一次災難性的事件中合併成一個黑洞，這將向太空各地傳送強烈的引力波。
儘管有煙火般的景象，但這個過程——今天正在我們周圍發生，在早期宇宙中甚至更常見——並非真正意義上的“碰撞”。星系主要是空曠的空間。像銀河系這樣的星系中大約有3000億顆恆星，平均而言，它們之間相隔近五光年。地球海平面空氣的密度大約是星際空間氣體平均密度的100萬億倍。換句話說，儘管合併在一個星系的生命中是變革性的，並且是巨大能量的來源，但在事件發生期間，大多數恆星只是彼此擦肩而過。
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然而，星系堆積是迷人且重要的。透過研究其他星系的合併，我們可以看到我們自己的未來。研究星系合併也有助於我們瞭解宇宙的歷史，因為當宇宙更年輕、更稠密時，星系碰撞要常見得多。模擬表明，在過去的100億年中，銀河系經歷了多達五次主要的合併，才成為今天宏偉的螺旋星系。
現在是進行這項工作的激動人心的時刻。直到最近，天文學家還缺乏仔細測量和建模碰撞星系的工具。大多數活動都被厚厚的塵埃雲遮蔽，即使使用最大的望遠鏡，也很難在可見光波長下穿透。藉助當前和計劃中的望遠鏡上的新儀器，我們將開始回答關於星系合併的一些重大問題，例如在星系碰撞的混亂過程中恆星是如何誕生的，以及不斷增長並最終合併的中心黑洞釋放的輻射如何影響正在它們周圍形成的新星系。
星系堆積
自從埃德溫·哈勃首次發現天空中許多發光斑點——當時被稱為“星雲”——不是銀河系內的物體，而是獨立的“島宇宙”以來，已經過去了近一個世紀。他將這些“河外星雲”分為三類：球形或橢圓形的（橢圓星系），扁平的，有時是棒狀的圓盤，中心有一個凸起（螺旋星系，像我們自己的星系），以及畸形的怪異物體（不規則星系）。
一小部分不規則星系實際上是高度扭曲的星系對或小星系群。在哈勃發現後的幾年裡，莫斯科大學的鮑里斯·沃龍佐夫-維利亞米諾夫、加州理工學院的弗裡茨·茲威基和威爾遜山和帕洛馬天文臺的哈爾頓·阿普等先驅者詳細研究了這類“相互連線的星系”。在阿普1966年出版的《特殊星系圖集》中發表的由照相底片製成的長曝光影像清楚地顯示了我們現在認識到的合併星系的特徵——扭曲的形狀。在1970年代，託姆雷兄弟（Juri 和 Alar Toomre）使用計算機模擬了簡單盤狀星系在束縛拋物線軌道上的相互作用，再現了幾個特殊星系的形狀——特別是合併過程中發射到遙遠距離的恆星的長而彎曲的尾巴。這些和其他早期模擬表明，阿普等人強調的異常，有時是壯觀的特徵可以完全用引力相互作用來解釋。使用現代計算機和最先進的模擬，由夏威夷大學的約書亞·E·巴恩斯、哈佛大學的拉斯·赫恩奎斯特和加州理工學院的菲利普·法哈多·霍普金斯領導的團隊進一步繪製了星系相互作用的多樣性以及合併在星系生命週期中的重要性。
1983年，紅外天文衛星（IRAS）發射升空。這顆衛星製作了第一張全天空遠紅外地圖——這對研究隱藏的宇宙，特別是星系合併來說是一個巨大的福音。在其捕獲的波長下，該衛星對來自溫暖和寒冷塵埃的熱輻射敏感。星系中的星際塵埃幾乎總是恆星誕生的搖籃的訊號。在正常星系中，恆星誕生於（主要是）分子氫氣體和塵埃雲中。隨著恆星演化和死亡，它們會釋放出重的、形成塵埃的元素，如碳和氧，這些元素是在它們的內部透過核聚變產生的，從而進一步用塵埃豐富周圍的雲。（雲中已有的塵埃是在先前發生的恆星形成事件中形成的。）在碰撞星系中，這個過程處於超速運轉狀態——合併將氣體和塵埃集中到緊湊的區域，點燃稱為星暴的恆星形成浪潮，而星暴反過來產生更多的重元素和更多的塵埃。因此，儘管年輕而大質量的恆星在較短的紫外線波長下釋放出大部分能量，但實際上只有極少量的光到達地球。周圍的塵埃顆粒吸收紫外線並以紅外線的形式重新發射。配備靈敏紅外探測器的望遠鏡可以測量這種光，使我們能夠穿透塵埃面紗，研究恆星誕生的最早階段和超大質量黑洞的生長。
IRAS在銀河系和數千個其他星系中探測到了許多這樣的恆星搖籃，在兩個重要方面極大地提高了我們對星系合併的理解。首先，IRAS提供了對這些天體內部產生的能量的精確測量，並表明合併星系是宇宙中最本質上發光的天體之一。其次，IRAS僅根據其紅外輻射探測到了遙遠距離的碰撞星系，這使我們首次準確普查了宇宙時間內的星系合併。其中一些碰撞距離地球太遠，以至於我們看到的光是在宇宙只有其當前年齡的五分之一時發出的。在一些合併星系中，超過90％的總功率輸出發生在遠紅外波長——它們真正的本質完全被光學望遠鏡隱藏了。
但是IRAS向我們表明，大量的紅外“超量”是尋找相互作用和合並星系的絕佳方法。特別是，它發現了一類稱為明亮紅外星系或簡稱LIRG的星系。這些天體的遠紅外光度超過太陽亮度的1000億倍（大約是銀河系中所有恆星的總能量輸出的三倍），通常是合併星系。更罕見，更壯觀的是超明亮紅外星系或ULIRG。這些星系的遠紅外光度超過太陽亮度的萬億倍，幾乎總是劇烈的星系碰撞。
科學家在1980年代後期朝著解釋合併星系核心發生的事情邁出了一步，當時他們將合併與另一類稱為類星體的天體聯絡起來，類星體由活躍的超大質量黑洞提供動力。這些是宇宙中最有能量的天體，其亮度是太陽的萬億倍以上。大衛·桑德斯當時是加州理工學院的博士後研究員，與湯姆·索伊弗和已故的格里·諾伊格鮑爾合作，他假設ULIRG是星系合併和類星體之間的早期、塵埃籠罩的階段。ULIRG和類星體之間的這種演化聯絡建立在夏威夷大學的艾倫·斯托克頓、巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所的約翰·麥肯蒂和約翰·霍普金斯大學的蒂莫西·赫克曼的先前研究的基礎上，他們表明，擁有活躍中心黑洞的星系通常看起來是扭曲的，這與它們是星系合併體的情況一致。
強大的紅外星系和類星體之間的擬議聯絡，這兩種看似非常不同的天體型別，提供了一個可檢驗的模型，激發了對這些明顯不同的類別之間關係的研究。透過提供一個框架來連線明亮紅外星系、強大的星暴以及活動星系和類星體，它有助於重新燃起人們對星系合併如何影響宇宙時間內的星系演化的興趣。由於宇宙歷史上恆星產生的光的一半以上被塵埃再加工成紅外光，因此合併的作用可能是至關重要的。
致謝：NASA，ESA，弗蘭克·薩默斯和太空望遠鏡科學研究所（視覺化）；NASA，ESA，古爾蒂娜·貝斯拉，哥倫比亞大學，羅蘭·範德·馬雷爾和太空望遠鏡科學研究所（模擬）
雄心勃勃的目標
2004年，我們兩人和我們的合作者發起了大天文臺全天LIRG巡天（GOALS），使用NASA的三個大天文臺：斯皮策太空望遠鏡、哈勃太空望遠鏡和錢德拉X射線天文臺，收集碰撞星系的影像和光譜。這些儀器提供了合併生命週期的多波長檢視。GOALS樣本由本星系群宇宙中所有最亮的紅外明亮星系組成。這個由200多個天體組成的集合，全部在13億光年之內，使得迄今為止對紅外明亮星系進行了最詳細的研究。
我們的團隊還使用了地面望遠鏡，例如新墨西哥州的甚大陣列（VLA），加利福尼亞州帕洛馬山上的海爾200英寸望遠鏡，夏威夷的雙子星凱克10米望遠鏡以及智利的阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米波陣列（ALMA）。該團隊還收集了歐洲的遠紅外赫歇爾太空望遠鏡和NASA的NuSTAR X射線望遠鏡的資料；後者研究非常高能量的硬X射線。
GOALS已經大大增加了我們對碰撞星系的瞭解。例如，長期存在的一個問題是，年輕的恆星還是活躍的黑洞對來自合併星系的光貢獻更大。我們可以透過檢視兩種型別天體的不同能量剖面（作為波長函式的能量釋放量）來區分它們在合併生命週期中不同時間的各自貢獻。恆星是簡單的熱輻射源——它們的大部分能量在取決於其溫度的峰值波長處發射，並且它們的能量輸出在較短和較長波長處都迅速下降。相比之下，進食黑洞周圍的吸積盤是粘稠且高溫的，並且其溫度從其外部向黑洞的事件視界增加。吸積盤具有更廣泛的能量剖面，並且比恆星產生更大比例的高能輻射，並且它可以加熱和電離（剝離電子）周圍氣體中的各種元素。在星系光譜中發現來自高度電離元素的強烈發射是位於其中心的吸積超大質量黑洞的明顯跡象。
GOALS發現，在整個LIRG群體中，星暴似乎比黑洞更重要的能量來源。GOALS中大約五分之一的明亮紅外星系似乎擁有活躍的超大質量黑洞，但即使在這些星系中，恆星也貢獻了大量的能量。但是我們可能會遺漏被塵埃掩埋的活躍黑洞，即使是紅外診斷也無法識別它們——GOALS團隊的兩名成員，國家射電天文臺的喬治·普里馮和智利迭戈·波塔萊斯大學的克勞迪奧·裡奇，以及由瑞典查爾姆斯理工大學的蘇珊娜·阿爾托領導的團隊目前正在詳細研究這種現象。此外，我們傾向於在合併生命週期的後期識別出活躍的黑洞，這表明超大質量黑洞的大部分生長可能滯後於恆星形成，從而為星暴貢獻總能量提供更多時間。或者，正如托萊多大學的GOALS團隊成員安妮·梅德林透過紅外線對一些LIRG進行最高解析度觀測所表明的那樣，一些黑洞也可能早期生長。恆星和中心超大質量黑洞在星系內部生長的精確時間尺度是當前大量研究的主題，旨在理解過去二十年中最深奧的謎團之一：為什麼今天星系中中心黑洞的質量和螺旋星系和橢圓星系凸起中的恆星質量具有大致恆定的質量比，約為1：1,000。
新的見解
其他最近的專案揭示了關於LIRG以及碰撞星系中恆星如何形成的新線索。例如，透過繪製這些天體內部最重恆星加熱的氣體，包括太空望遠鏡科學研究所的GOALS成員克斯汀·拉爾森、希臘研究與技術基金會的塔尼奧·迪亞茲-桑托斯以及弗吉尼亞大學的洛雷託·巴克斯-穆諾茲和易清·宋在內的研究人員發現，LIRG中大部分恆星形成發生在極其緊湊且高能的星暴區域。這些區域的恆星形成率和氣體密度比我們在正常星系中發現的要高出10倍或更多。在合併過程的早期，最活躍的恆星形成區域往往位於LIRG核外區域。然而，隨著合併的演變，主要的星暴是合併核內部和周圍的緊湊團塊，因為最初位於螺旋臂中的氣體落向中心。
有趣的是，在能量最高的後期合併中，分子氣體中心濃度的密度非常高，以至於它們開始類似於巨型分子云。這種現象的一個主要例子是最近的超明亮紅外星系Arp 220，它位於2.5億光年之外。臺灣中研院的坂本一志和加州理工學院的尼克·斯科維爾用ALMA陣列以精細的細節繪製了該天體中心的分子氣體圖，顯示它包含相當於幾個銀河系的分子氣體，集中在一個不大於3000光年的區域內——比銀河系氣體盤的範圍小20倍。
儘管合併是強大的恆星工廠，但在碰撞中形成的星團實際上可能壽命出奇的短。斯德哥爾摩大學的安吉拉·阿達莫和馬薩諸塞大學阿默斯特分校的GOALS成員肖恩·林登使用來自哈勃太空望遠鏡的資料，看到了星團數量作為星團年齡函式的急劇下降，這表明大量星團在合併星系中出生後不久就被摧毀了。碰撞引發了增強的恆星形成，但引力潮汐力和星團內部超新星的風可能會輕易地將它們撕裂。
正如星團中的氣體可以隨著恆星的演化而被掃除一樣，合併也可能成為超新星和中心黑洞反饋的受害者，這對進一步的星系演化產生深遠的影響。赫克曼和他的合作者在1990年代初期首次研究了從合併體中流出的大量電離氣體流，他們發現了一些低紅移LIRG和ULIRG中強大風——被稱為超風——的證據。針對這種熱原子氣體的後續研究發現，不僅風在LIRG和ULIRG中很常見，而且其中最快的風可以從星系中掙脫出來並將氣體噴射到星系際空間，正如羅德學院的大衛·魯普克等人所證明的那樣。在最精細的尺度上，熱的、受激波氣體射流和氣泡標記了星系核向星系注入能量並驅動外流的區域，正如GOALS團隊成員梅德林和加州大學歐文分校的薇薇安·U使用雙子星凱克望遠鏡繪製的那樣。
星系超風是多相的，這意味著它們可以包含熱的和冷的原子和分子氣體。包括坂本、巴克斯-穆諾茲、西班牙天體生物學中心的米格爾·佩雷拉-聖塔埃拉和西班牙阿爾卡拉大學的愛德華多·岡薩雷斯·阿方索在內的許多天文學家研究了超風中稠密的分子氣體，經常發現大量冷氣體從合併星系向外流動。這些外流可以輕易覆蓋10,000光年，有時攜帶的氣體比在星系核中形成的恆星還要多，有效地剝奪了星系持續恆星形成的燃料。同樣重要的是，這些風可以將重元素（金屬）和塵埃送入星系際空間。在幾乎所有情況下，外流似乎都起源於合併體的星系核附近，由超新星、輻射壓力和來自中心黑洞的射流（高速氣體柱）的綜合效應驅動。這些外流可能在星系的生命週期中很重要，正如扁平研究所的克里斯·海沃德的詳細模擬表明，恆星反饋可以同時調節恆星形成並驅動外流。
天空中最大的眼睛
即將發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡有望極大地擴充套件我們對宇宙時間內的星系合併的理解。這架直徑6.5米的紅外望遠鏡預計將於2021年底升空。韋伯是IRAS、紅外空間天文臺（於1990年代飛行）和斯皮策（於2020年退役）的科學繼承者，但韋伯將至少靈敏50倍，空間解析度幾乎是斯皮策的10倍，從而提供近紅外和中紅外光譜中星系的清晰影像。它還將攜帶成像光譜儀，可以在單次指向中生成數百個光譜。這種能力將使其能夠以精細的細節繪製附近合併體中恆星形成區域和活躍吸積超大質量黑洞周圍區域的地圖。
GOALS合作專案將觀測四個附近的明亮紅外星系，作為韋伯主任自由支配早期釋出科學計劃的一部分。其他研究人員將使用該天文臺來瞄準附近的明亮活動星系、遙遠的類星體和深空空白場，以尋找最早的星系。GOALS早期釋出目標包括具有強大星暴和活躍中心黑洞的星系。它們都處於星系合併的陣痛之中，並且都在經歷星系外流。這些星系將是瞭解這些過程如何在早期宇宙中展開的寶貴本地實驗室。除了早期釋出計劃之外，韋伯的第一個通用觀測者週期中還選擇了幾個專案，這些專案將檢查來自年輕星團和活躍黑洞的反饋、光學波長下隱藏的恆星形成比例以及LIRG中被遮蔽的星系核的性質。
下一代甚大陣列是計劃中取代27天線甚大陣列的裝置。這個263天線的射電和毫米波干涉儀將以VLA 10倍的靈敏度和解析度觀測恆星形成區域、活躍黑洞和與爆炸恆星相關的光。
總的來說，這些新的望遠鏡將揭示附近和早期宇宙星系合併中發生的天體物理學。高解析度模擬，加上這些詳細的新觀測，將是理解物理反饋過程如何幫助調節合併星系中的恆星形成和黑洞生長的關鍵。未來計劃和提議的天文臺將能夠探測到碰撞超大質量黑洞的引力波訊號以及在絕大多數宇宙時間內形成的星系的塵埃核心。隨著我們在宇宙最遙遠的地方發現更多奇異天體，我們將繼續使用這些新工具來更好地理解星系是如何誕生和度過一生的。