第11章 本星系群（1/2）

本星系群（local group）

· 描述：我们所在的星系群

· 身份：包含银河系和仙女座星系等约54个星系的集团，跨度约1000万光年

· 关键事实：以银河系和仙女座星系为主导，这两个星系正以约110公里\/秒的速度相互靠近，预计在45亿年后发生碰撞。

本星系群：我们的宇宙家园——54个星系的“社区”与银河系的未来命运（第一篇幅）

引言：当你抬头，看见的不只是星星

夏夜的星空下，你或许曾数过北斗七星，惊叹过银河的璀璨，或是对着猎户座的“腰带”许愿。但你可能从未想过：你所看到的每一颗恒星、每一片星云，都属于一个更大的“家庭”——本星系群（local group）。这个由54个星系组成的“宇宙社区”，跨度1000万光年，质量相当于1.5万亿个太阳，而我们的银河系，不过是其中一枚“中等大小的棋子”。

更令人震撼的是，这个家庭的“两大巨头”——银河系与仙女座星系（m31），正以110公里\/秒的速度彼此靠近。45亿年后，它们将碰撞、融合，诞生一个全新的椭圆星系。那时，我们的太阳系会怎样？星空会变成什么样？这场“宇宙婚礼”，其实早已写进了本星系群的演化剧本里。

在本篇幅中，我们将拆解本星系群的基本架构：它的成员有哪些？结构如何？引力如何主导它们的运动？更重要的是，我们会聚焦银河系与仙女座的“命运交织”——这场碰撞不是灾难，而是宇宙中最壮丽的“重生”。让我们从“认识家园”开始，揭开本星系群的神秘面纱。

一、什么是“本星系群”？宇宙中的“小家庭”

要理解本星系群，首先得明确星系群的定义：它是宇宙中由引力束缚的星系集合，规模介于“单个星系”与“星系团”（包含数千个星系的更大结构）之间。本星系群（local group，缩写lg）是我们所在的星系群，也是研究星系演化的“天然实验室”——因为它是离我们最近、结构最清晰的星系群。

1.1 基本参数：1000万光年的“社区”

本星系群的核心数据，藏着宇宙的“尺度感”：

成员数量：约54个星系（截至2023年，gaia卫星与哈勃望远镜的最新统计）；

空间跨度：直径约1000万光年（相当于银河系直径的100倍）；

总质量：约1.5x1012倍太阳质量（m☉）——其中，暗物质占总质量的85%以上（通过引力透镜与星系运动学计算得出）；

中心位置：银河系与仙女座星系（m31）位于群的“质心”附近，共同主导群的引力场。

1.2 从“本地”到“群”：人类对它的认知史

本星系群的发现，是天文学“从近到远”的探索缩影：

1920年代：哈勃望远镜（埃德温·哈勃）通过造父变星测量，发现仙女座星系（m31）不是银河系内的“星云”，而是独立的星系——这是人类首次确认“河外星系”的存在；

1930年代：哈勃提出“本星系群”概念，将银河系、仙女座及周边小星系归为一个引力束缚系统；

19与引力主导

本星系群不是“紧密的球状团”，而是松散的纤维状结构——两个巨头（银河系、仙女座）位于中心，周围环绕着卫星星系，像“太阳系中的太阳与行星”，但尺度大了百万倍。

3.1 引力：群内的“隐形指挥家”

本星系群的结构，完全由引力主导：

双巨头的主导：银河系与仙女座的质量之和，占本群总质量的80%以上。它们的引力场，决定了周围卫星星系的轨道；

卫星星系的“舞蹈”：小麦哲伦云、大麦哲伦云绕银河系旋转，m32、m110绕仙女座旋转——它们的轨道是“椭圆”的，因为引力不是“固定的绳子”，而是“动态的拉力”。

3.2 与其他星系团的联系：本超星系团的一部分

本星系群并非孤立——它是本超星系团（local supercluster，缩写ls）的一部分。本超星系团包含约100个星系群与星系团，其中最大的成员是室女座星系团（包含2000个星系，距离本星系群约5000万光年）。

本星系群正以约1000公里\/秒的速度向室女座星系团靠近——这是更大尺度的宇宙运动，但对我们而言，45亿年后的银河系-仙女座碰撞，才是更紧迫的“家庭事件”。

四、银河系与仙女座：45亿年后的“宇宙婚礼”

这是本星系群最核心的故事——两个巨头的碰撞，不是“毁灭”，而是“重生”。

4.1 碰撞的“预告”：速度与距离的计算

仙女座与银河系的碰撞，不是猜测，而是精确计算的结论：

距离：目前两者相距约250万光年；

相对速度：约110公里\/秒（通过哈勃望远镜的红移观测得出）；

碰撞时间：约45亿年后（假设速度不变，距离除以速度：250万光年 ÷ 110公里\/秒 ≈ 45亿年）。

4.2 碰撞的“过程”：不是“星星相撞”，而是“引力交融”

很多人担心：“碰撞时，太阳系会被摧毁吗？”答案是：几乎不会。因为恒星之间的距离，比恒星本身大得多——比如，太阳与最近的比邻星（proxima centauri）相距4.2光年，而仙女座的恒星密度，与银河系差不多。碰撞时，恒星几乎不会直接相撞，只会被引力“拉扯”，改变轨道。

真正的“碰撞”，是气体云与暗物质的相互作用：

第一阶段（碰撞初期，0-10亿年）：仙女座的引力会扰动银河系的旋臂，导致大量气体云碰撞、压缩，触发大规模恒星形成——银河系的“恒星婴儿潮”；

第二阶段（合并中期，10-30亿年）：两个星系的核球（中心区域）会融合，形成一个更大的“椭圆核”。仙女座的超大质量黑洞（约1亿m☉）与银河系的sgr a*（400万m☉）会绕彼此旋转，最终合并成一个更大的黑洞；

第三阶段（合并后期，30-45亿年）：两个星系的旋臂完全消失，形成一个巨大的椭圆星系——天文学家给它起了个名字：milkomeda（银河系“milky way”与仙女座“andromeda”的组合）。

4.3 碰撞后的“星空”：我们的太阳系会怎样？

45亿年后，当你（如果那时还有人类）抬头看星空：

银河系不见了：取而代之的是milkomeda，一个更亮、更圆的椭圆星系；

恒星更密集：milkomeda的恒星密度比银河系高，星空会更“拥挤”；

太阳系的位置：太阳系可能被“甩”到milkomeda的边缘，但依然稳定——因为引力扰动不足以将它抛出星系。

五、本星系群的“未来”：从“群”到“团”的演化

银河系与仙女座的碰撞，不是本星系群的终点，而是它演化的“下一步”：

合并后的milkomeda：质量约2.，把银河系、仙女座和所有卫星星系牢牢绑在一起。从星系的形成到碰撞，从卫星的轨道到恒星的诞生，暗物质是本星系群的“幕后策划者”。

在本篇幅中，我们将深入本星系群的“暗物质王国”：我们会用观测证据拼凑暗物质的“分布地图”，用数值模拟还原它的“引力游戏”，甚至追问它的本质——这个占据宇宙四分之一质量的“幽灵”，究竟是什么？而它，又将如何决定本星系群的最终命运？

一、暗物质的“幽灵身份”：从猜想到实证的百年追寻

要理解暗物质在本星系群中的作用，先得回到它的“诞生记”——人类如何发现这个“看不见的宇宙主角”？

1.1 第一个暗示：后发座星系团的“质量缺失”（1933年）

暗物质的概念，最早来自瑞士天文学家弗里茨·兹威基（fritz zwicky）的“异想天开”。1933年，他用维里定理（virial theorem）计算后发座星系团（a cluster）的质量：

维里定理说：星系团的总质量 = （星系团的动能 x 2）\/ 星系团的势能；

兹威基测量了后发座星系团中星系的运动速度（动能），以及星系团的大小（势能），算出总质量约为101?倍太阳质量；

但用光学观测，后发座星系团中所有可见星系的质量总和，只有101?倍太阳质量——整整差了10倍！

兹威基提出：星系团中存在大量“看不见的物质”，它们的引力维持着星系团的稳定——这就是“暗物质”（dark matter）的雏形。但当时没人相信：毕竟，“看不见”不等于“存在”。

1.2 决定性证据：星系旋转曲线的“异常”（19——暗物质构成了网的“骨架”，星系团和星系群是网上的“节点”，星系则是节点上的“装饰”。这张网的尺度，达到了数百亿光年，而本星系群，正处于其中一个“节点”的边缘。

本超星系团（local supercluster，ls）：本星系群隶属于本超星系团，这是一个包含约100个星系群与星系团的巨大结构，中心是室女座星系团（virgo cluster）——拥有2000个星系，质量约1.5x101?倍太阳质量。本星系群距离室女座星系团约5000万光年，正以约1000公里\/秒的速度向它靠近；

宇宙网的“纤维”：本星系群与室女座星系团之间的区域，是宇宙网的“纤维”（fment）——由暗物质和稀薄气体组成，是星系形成的“通道”。本星系群的气体，可能就来自这条纤维的“补给”。

1.2 本星系群的“独特性”：离我们最近的“宇宙实验室”

在宇宙中，像本星系群这样“近且全”的结构，独一无二：

近：距离银河系最近的星系群，让我们能详细观测每个成员的细节（比如麦哲伦云的潮汐尾、仙女座的恒星形成区）；

全：包含了几乎所有形态的星系（螺旋、椭圆、不规则），以及暗物质、恒星、行星等所有宇宙成分；

动态：正在经历银河系与仙女座的碰撞，让我们能实时观测星系合并的过程。

这种“近、全、动”的特性，让本星系群成为研究星系演化的“完美实验室”——我们能在这里验证理论（比如暗物质晕的形成）、观测过程（比如恒星形成）、预测未来（比如milkomeda的形态）。

二、本星系群的“系统论”：暗物质、恒星与形态的“三位一体”

在前面的篇章里，我们分别研究了本星系群的暗物质骨架、恒星演员、形态外貌。现在，我们需要把它们整合起来——本星系群是一个“自洽的系统”，每个部分都相互关联，共同推动演化。

2.1 暗物质：系统的“引力心脏”