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星系碰撞的各种结局的计算机模拟 蒋绍周 云天梁 2001012474 2001012503 （清华大学物理系物11 班） 摘要：借助数学软件 MATLAB ，用数值解微分方程，模拟星系在各种初条件下的的碰 撞，并进行分析。 关键词：星系碰撞，数学软件MATLAB 宇宙中存在的星系大部分是旋涡星系，这些星系一般相互间距离较远，相互 作用几乎可以忽略。但是，在一定的条件下，由于星系的运动，两个星系或多个 星系还是有可能产生相互作用，即所谓的星系碰撞。由于星系的碰撞在观测中很 难出现，且受观测方向的限制，所以光靠观测很难完整的了解星系碰撞的全貌， 所以，计算机模拟的必要性就体现出来了。 本次模拟只从运动学的角度分析，不考虑星系中恒星的演化可能产生的影 响。假设星系的中心天体是一个大质量的天体，如超大质量黑洞。星系中的恒星 主要在它的影响下做运动。恒星所受的影响为万有引力的作用，包括中心天体和 其他恒星的作用。在恒星的运动过程中，如果两颗星的距离过近，就认为它们发 生了碰撞，合为一颗星。由质量守恒、动量守恒算出新产生恒星的质量和速度。 几种模拟的结局 下面给出不同的初始条件下，不同的演化结果。由于受计算机硬件和算法的 限制，模拟中每个星系包含中心天体和18 颗恒星。由于恒星数比较少，定量上 不可能和真实的情形符合一致，但定性上还是合理的。 一、两个星系同向旋转，星系面共面，从侧面碰撞，中心的初速度为零 在实际的星系碰撞中，由于星系从很远的地方缓慢的靠近，认为初速度为零 是合理的。下图就是这种情况的初始状态的俯视图，两星系的旋转均为逆时针方 向。 图1 经过星系的碰撞后，的情况如下图 图2 从图中可以看出，剩下的仍然围绕着中心体做转动的恒星比初始时少。这是 因为，有一些恒星被中心体系收或与其它的恒星碰撞而消失；还有一部分恒星在 两星系靠近时，恒星受另一个星系的中心体的影响，速度增大，在星系碰撞时， 轨道距离中心体很近，但又没有被吸收，得到了充分的加速，加上速度方向合适， 可以飞离中心天体很远，因为显示范围有限，所以显示不出来。如果时间足够， 可以看到飞离很远的恒星有飞回来。这说明，这种方式的碰撞会形成范围更大的 星系。 二、两个星系同向旋转，星系面平行，正面碰撞，初速度为零 下图是这种情况的初始状态，各星系从上往下看，均逆时针转动。 图3 经过碰撞后，形成的星的星系为球状星系，如下图 图4 这种情况也很好理解，两星系中的恒星在碰撞之前瞬间已有上下方向的速 度，且各不相同，再由于位置几乎在一个圆面内均匀分布，所以碰撞后自然会形 成球状的外形。这可能是球状星系形成的一种方式。 三、两星系旋转方向成90 度角，斜碰，其中一个星系的自转轴过另一星系 下图是这种情况的初始状态 图5 经过碰撞后，如下图 图6 从图上可以看出，碰撞后只有少数的恒星离中心天体较远，大部分的恒星仍 然受到中心体的束缚。 四、两星系旋转方向成90 度角，斜碰，每个星系的自转轴都不过另一星系 下图是这种情况的初始状态 图7 经过碰撞后，如下图 图8 可以看到碰撞后形成的新星系较前一种方式的松散。这是因为初始的速度更 有利于恒星的脱离。前一种方式，左边的星系是正碰，类似于第二种情况，速度 增加的量不是叠加到原来的速度方向，而是与原来的速度方向垂直，这不利于恒 星飞离中心天体。后一种方式，