在大约五十亿年后，当太阳膨胀成一颗红巨星，其直径Roughly相当于地球绕太阳公转的轨道直径时，我们的星系将与它最近的大邻居仙女座星系发生碰撞。随着引力将这对星系拉近，进行一次近距离接触，恒星将从它们的轨道上被撕裂，形成壮观的尾巴，气体和尘埃将被挤压向接近的星系核，摧毁那些在宇宙年龄的四分之三的时间里一直存在的庄严宏伟的螺旋星系。
最终，星系的中心将合并，涌向中心的气体将点燃恒星形成的爆发，产生的恒星速度将比现在这两个星系的任何一个都快100多倍。它还将喂养潜伏在两个星系中心的现在平静的超大质量黑洞。黑洞将增长，同时释放出强烈的能量粒子和辐射风暴，这将轻易地超过两个星系中所有恒星的光芒总和。大约1亿年后，这两个超大质量黑洞将螺旋式地相互靠近，并在一次灾难性的事件中合并成一个黑洞，这将向太空各地发送强烈的引力波。
尽管有烟火般的景象，但这个过程——今天正在我们周围发生，在早期宇宙中甚至更常见——并非真正意义上的“碰撞”。星系主要是空旷的空间。像银河系这样的星系中大约有3000亿颗恒星，平均而言，它们之间相隔近五光年。地球海平面空气的密度大约是星际空间气体平均密度的100万亿倍。换句话说，尽管合并在一个星系的生命中是变革性的，并且是巨大能量的来源，但在事件发生期间，大多数恒星只是彼此擦肩而过。
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然而，星系堆积是迷人且重要的。通过研究其他星系的合并，我们可以看到我们自己的未来。研究星系合并也有助于我们了解宇宙的历史，因为当宇宙更年轻、更稠密时，星系碰撞要常见得多。模拟表明，在过去的100亿年中，银河系经历了多达五次主要的合并，才成为今天宏伟的螺旋星系。
现在是进行这项工作的激动人心的时刻。直到最近，天文学家还缺乏仔细测量和建模碰撞星系的工具。大多数活动都被厚厚的尘埃云遮蔽，即使使用最大的望远镜，也很难在可见光波长下穿透。借助当前和计划中的望远镜上的新仪器，我们将开始回答关于星系合并的一些重大问题，例如在星系碰撞的混乱过程中恒星是如何诞生的，以及不断增长并最终合并的中心黑洞释放的辐射如何影响正在它们周围形成的新星系。
星系堆积
自从埃德温·哈勃首次发现天空中许多发光斑点——当时被称为“星云”——不是银河系内的物体，而是独立的“岛宇宙”以来，已经过去了近一个世纪。他将这些“河外星云”分为三类：球形或椭圆形的（椭圆星系），扁平的，有时是棒状的圆盘，中心有一个凸起（螺旋星系，像我们自己的星系），以及畸形的怪异物体（不规则星系）。
一小部分不规则星系实际上是高度扭曲的星系对或小星系群。在哈勃发现后的几年里，莫斯科大学的鲍里斯·沃龙佐夫-维利亚米诺夫、加州理工学院的弗里茨·兹威基和威尔逊山和帕洛马天文台的哈尔顿·阿普等先驱者详细研究了这类“相互连接的星系”。在阿普1966年出版的《特殊星系图集》中发表的由照相底片制成的长曝光图像清楚地显示了我们现在认识到的合并星系的特征——扭曲的形状。在1970年代，托姆雷兄弟（Juri 和 Alar Toomre）使用计算机模拟了简单盘状星系在束缚抛物线轨道上的相互作用，再现了几个特殊星系的形状——特别是合并过程中发射到遥远距离的恒星的长而弯曲的尾巴。这些和其他早期模拟表明，阿普等人强调的异常，有时是壮观的特征可以完全用引力相互作用来解释。使用现代计算机和最先进的模拟，由夏威夷大学的约书亚·E·巴恩斯、哈佛大学的拉斯·赫恩奎斯特和加州理工学院的菲利普·法哈多·霍普金斯领导的团队进一步绘制了星系相互作用的多样性以及合并在星系生命周期中的重要性。
1983年，红外天文卫星（IRAS）发射升空。这颗卫星制作了第一张全天空远红外地图——这对研究隐藏的宇宙，特别是星系合并来说是一个巨大的福音。在其捕获的波长下，该卫星对来自温暖和寒冷尘埃的热辐射敏感。星系中的星际尘埃几乎总是恒星诞生的摇篮的信号。在正常星系中，恒星诞生于（主要是）分子氢气体和尘埃云中。随着恒星演化和死亡，它们会释放出重的、形成尘埃的元素，如碳和氧，这些元素是在它们的内部通过核聚变产生的，从而进一步用尘埃丰富周围的云。（云中已有的尘埃是在先前发生的恒星形成事件中形成的。）在碰撞星系中，这个过程处于超速运转状态——合并将气体和尘埃集中到紧凑的区域，点燃称为星暴的恒星形成浪潮，而星暴反过来产生更多的重元素和更多的尘埃。因此，尽管年轻而大质量的恒星在较短的紫外线波长下释放出大部分能量，但实际上只有极少量的光到达地球。周围的尘埃颗粒吸收紫外线并以红外线的形式重新发射。配备灵敏红外探测器的望远镜可以测量这种光，使我们能够穿透尘埃面纱，研究恒星诞生的最早阶段和超大质量黑洞的生长。
IRAS在银河系和数千个其他星系中探测到了许多这样的恒星摇篮，在两个重要方面极大地提高了我们对星系合并的理解。首先，IRAS提供了对这些天体内部产生的能量的精确测量，并表明合并星系是宇宙中最本质上发光的天体之一。其次，IRAS仅根据其红外辐射探测到了遥远距离的碰撞星系，这使我们首次准确普查了宇宙时间内的星系合并。其中一些碰撞距离地球太远，以至于我们看到的光是在宇宙只有其当前年龄的五分之一时发出的。在一些合并星系中，超过90％的总功率输出发生在远红外波长——它们真正的本质完全被光学望远镜隐藏了。
但是IRAS向我们表明，大量的红外“超量”是寻找相互作用和合并星系的绝佳方法。特别是，它发现了一类称为明亮红外星系或简称LIRG的星系。这些天体的远红外光度超过太阳亮度的1000亿倍（大约是银河系中所有恒星的总能量输出的三倍），通常是合并星系。更罕见，更壮观的是超明亮红外星系或ULIRG。这些星系的远红外光度超过太阳亮度的万亿倍，几乎总是剧烈的星系碰撞。
科学家在1980年代后期朝着解释合并星系核心发生的事情迈出了一步，当时他们将合并与另一类称为类星体的天体联系起来，类星体由活跃的超大质量黑洞提供动力。这些是宇宙中最有能量的天体，其亮度是太阳的万亿倍以上。大卫·桑德斯当时是加州理工学院的博士后研究员，与汤姆·索伊弗和已故的格里·诺伊格鲍尔合作，他假设ULIRG是星系合并和类星体之间的早期、尘埃笼罩的阶段。ULIRG和类星体之间的这种演化联系建立在夏威夷大学的艾伦·斯托克顿、巴尔的摩太空望远镜科学研究所的约翰·麦肯蒂和约翰·霍普金斯大学的蒂莫西·赫克曼的先前研究的基础上，他们表明，拥有活跃中心黑洞的星系通常看起来是扭曲的，这与它们是星系合并体的情况一致。
强大的红外星系和类星体之间的拟议联系，这两种看似非常不同的天体类型，提供了一个可检验的模型，激发了对这些明显不同的类别之间关系的研究。通过提供一个框架来连接明亮红外星系、强大的星暴以及活动星系和类星体，它有助于重新燃起人们对星系合并如何影响宇宙时间内的星系演化的兴趣。由于宇宙历史上恒星产生的光的一半以上被尘埃再加工成红外光，因此合并的作用可能是至关重要的。
致谢：NASA，ESA，弗兰克·萨默斯和太空望远镜科学研究所（可视化）；NASA，ESA，古尔蒂娜·贝斯拉，哥伦比亚大学，罗兰·范德·马雷尔和太空望远镜科学研究所（模拟）
雄心勃勃的目标
2004年，我们两人和我们的合作者发起了大天文台全天LIRG巡天（GOALS），使用NASA的三个大天文台：斯皮策太空望远镜、哈勃太空望远镜和钱德拉X射线天文台，收集碰撞星系的图像和光谱。这些仪器提供了合并生命周期的多波长视图。GOALS样本由本星系群宇宙中所有最亮的红外明亮星系组成。这个由200多个天体组成的集合，全部在13亿光年之内，使得迄今为止对红外明亮星系进行了最详细的研究。
我们的团队还使用了地面望远镜，例如新墨西哥州的甚大阵列（VLA），加利福尼亚州帕洛马山上的海尔200英寸望远镜，夏威夷的双子星凯克10米望远镜以及智利的阿塔卡玛大型毫米/亚毫米波阵列（ALMA）。该团队还收集了欧洲的远红外赫歇尔太空望远镜和NASA的NuSTAR X射线望远镜的数据；后者研究非常高能量的硬X射线。
GOALS已经大大增加了我们对碰撞星系的了解。例如，长期存在的一个问题是，年轻的恒星还是活跃的黑洞对来自合并星系的光贡献更大。我们可以通过查看两种类型天体的不同能量剖面（作为波长函数的能量释放量）来区分它们在合并生命周期中不同时间的各自贡献。恒星是简单的热辐射源——它们的大部分能量在取决于其温度的峰值波长处发射，并且它们的能量输出在较短和较长波长处都迅速下降。相比之下，进食黑洞周围的吸积盘是粘稠且高温的，并且其温度从其外部向黑洞的事件视界增加。吸积盘具有更广泛的能量剖面，并且比恒星产生更大比例的高能辐射，并且它可以加热和电离（剥离电子）周围气体中的各种元素。在星系光谱中发现来自高度电离元素的强烈发射是位于其中心的吸积超大质量黑洞的明显迹象。
GOALS发现，在整个LIRG群体中，星暴似乎比黑洞更重要的能量来源。GOALS中大约五分之一的明亮红外星系似乎拥有活跃的超大质量黑洞，但即使在这些星系中，恒星也贡献了大量的能量。但是我们可能会遗漏被尘埃掩埋的活跃黑洞，即使是红外诊断也无法识别它们——GOALS团队的两名成员，国家射电天文台的乔治·普里冯和智利迭戈·波塔莱斯大学的克劳迪奥·里奇，以及由瑞典查尔姆斯理工大学的苏珊娜·阿尔托领导的团队目前正在详细研究这种现象。此外，我们倾向于在合并生命周期的后期识别出活跃的黑洞，这表明超大质量黑洞的大部分生长可能滞后于恒星形成，从而为星暴贡献总能量提供更多时间。或者，正如托莱多大学的GOALS团队成员安妮·梅德林通过红外线对一些LIRG进行最高分辨率观测所表明的那样，一些黑洞也可能早期生长。恒星和中心超大质量黑洞在星系内部生长的精确时间尺度是当前大量研究的主题，旨在理解过去二十年中最深奥的谜团之一：为什么今天星系中中心黑洞的质量和螺旋星系和椭圆星系凸起中的恒星质量具有大致恒定的质量比，约为1：1,000。
新的见解
其他最近的项目揭示了关于LIRG以及碰撞星系中恒星如何形成的新线索。例如，通过绘制这些天体内部最重恒星加热的气体，包括太空望远镜科学研究所的GOALS成员克斯汀·拉尔森、希腊研究与技术基金会的塔尼奥·迪亚兹-桑托斯以及弗吉尼亚大学的洛雷托·巴克斯-穆诺兹和易清·宋在内的研究人员发现，LIRG中大部分恒星形成发生在极其紧凑且高能的星暴区域。这些区域的恒星形成率和气体密度比我们在正常星系中发现的要高出10倍或更多。在合并过程的早期，最活跃的恒星形成区域往往位于LIRG核外区域。然而，随着合并的演变，主要的星暴是合并核内部和周围的紧凑团块，因为最初位于螺旋臂中的气体落向中心。
有趣的是，在能量最高的后期合并中，分子气体中心浓度的密度非常高，以至于它们开始类似于巨型分子云。这种现象的一个主要例子是最近的超明亮红外星系Arp 220，它位于2.5亿光年之外。台湾中研院的坂本一志和加州理工学院的尼克·斯科维尔用ALMA阵列以精细的细节绘制了该天体中心的分子气体图，显示它包含相当于几个银河系的分子气体，集中在一个不大于3000光年的区域内——比银河系气体盘的范围小20倍。
尽管合并是强大的恒星工厂，但在碰撞中形成的星团实际上可能寿命出奇的短。斯德哥尔摩大学的安吉拉·阿达莫和马萨诸塞大学阿默斯特分校的GOALS成员肖恩·林登使用来自哈勃太空望远镜的数据，看到了星团数量作为星团年龄函数的急剧下降，这表明大量星团在合并星系中出生后不久就被摧毁了。碰撞引发了增强的恒星形成，但引力潮汐力和星团内部超新星的风可能会轻易地将它们撕裂。
正如星团中的气体可以随着恒星的演化而被扫除一样，合并也可能成为超新星和中心黑洞反馈的受害者，这对进一步的星系演化产生深远的影响。赫克曼和他的合作者在1990年代初期首次研究了从合并体中流出的大量电离气体流，他们发现了一些低红移LIRG和ULIRG中强大风——被称为超风——的证据。针对这种热原子气体的后续研究发现，不仅风在LIRG和ULIRG中很常见，而且其中最快的风可以从星系中挣脱出来并将气体喷射到星系际空间，正如罗德学院的大卫·鲁普克等人所证明的那样。在最精细的尺度上，热的、受激波气体射流和气泡标记了星系核向星系注入能量并驱动外流的区域，正如GOALS团队成员梅德林和加州大学欧文分校的薇薇安·U使用双子星凯克望远镜绘制的那样。
星系超风是多相的，这意味着它们可以包含热的和冷的原子和分子气体。包括坂本、巴克斯-穆诺兹、西班牙天体生物学中心的米格尔·佩雷拉-圣塔埃拉和西班牙阿尔卡拉大学的爱德华多·冈萨雷斯·阿方索在内的许多天文学家研究了超风中稠密的分子气体，经常发现大量冷气体从合并星系向外流动。这些外流可以轻易覆盖10,000光年，有时携带的气体比在星系核中形成的恒星还要多，有效地剥夺了星系持续恒星形成的燃料。同样重要的是，这些风可以将重元素（金属）和尘埃送入星系际空间。在几乎所有情况下，外流似乎都起源于合并体的星系核附近，由超新星、辐射压力和来自中心黑洞的射流（高速气体柱）的综合效应驱动。这些外流可能在星系的生命周期中很重要，正如扁平研究所的克里斯·海沃德的详细模拟表明，恒星反馈可以同时调节恒星形成并驱动外流。
天空中最大的眼睛
即将发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜有望极大地扩展我们对宇宙时间内的星系合并的理解。这架直径6.5米的红外望远镜预计将于2021年底升空。韦伯是IRAS、红外空间天文台（于1990年代飞行）和斯皮策（于2020年退役）的科学继承者，但韦伯将至少灵敏50倍，空间分辨率几乎是斯皮策的10倍，从而提供近红外和中红外光谱中星系的清晰图像。它还将携带成像光谱仪，可以在单次指向中生成数百个光谱。这种能力将使其能够以精细的细节绘制附近合并体中恒星形成区域和活跃吸积超大质量黑洞周围区域的地图。
GOALS合作项目将观测四个附近的明亮红外星系，作为韦伯主任自由支配早期发布科学计划的一部分。其他研究人员将使用该天文台来瞄准附近的明亮活动星系、遥远的类星体和深空空白场，以寻找最早的星系。GOALS早期发布目标包括具有强大星暴和活跃中心黑洞的星系。它们都处于星系合并的阵痛之中，并且都在经历星系外流。这些星系将是了解这些过程如何在早期宇宙中展开的宝贵本地实验室。除了早期发布计划之外，韦伯的第一个通用观测者周期中还选择了几个项目，这些项目将检查来自年轻星团和活跃黑洞的反馈、光学波长下隐藏的恒星形成比例以及LIRG中被遮蔽的星系核的性质。
下一代甚大阵列是计划中取代27天线甚大阵列的设备。这个263天线的射电和毫米波干涉仪将以VLA 10倍的灵敏度和分辨率观测恒星形成区域、活跃黑洞和与爆炸恒星相关的光。
总的来说，这些新的望远镜将揭示附近和早期宇宙星系合并中发生的天体物理学。高分辨率模拟，加上这些详细的新观测，将是理解物理反馈过程如何帮助调节合并星系中的恒星形成和黑洞生长的关键。未来计划和提议的天文台将能够探测到碰撞超大质量黑洞的引力波信号以及在绝大多数宇宙时间内形成的星系的尘埃核心。随着我们在宇宙最遥远的地方发现更多奇异天体，我们将继续使用这些新工具来更好地理解星系是如何诞生和度过一生的。