وقتی دو کهکشان به هم می‌خورند، ستاره‌هایشان چه می‌شوند؟

گرانش کهکشان همدم به سمت نزدیک قرص قوی‌تر از سمت دور آن می‌کشد. این کشش ناهمسان، همان نیروی کشندی که در زمین جزر و مد می‌سازد، قرص را از دو سو می‌کشد: ستاره‌های سمت نزدیک به سوی همدم کشیده می‌شوند و پل می‌سازند، و ستاره‌های سمت دور جا می‌مانند و دم بلندی پشت سر می‌کشند. اثر وقتی بیشترین است که قرص هم‌سو با مدار بچرخد: ستاره‌های لبهٔ آن مدتی کنار همدم هم‌پا می‌دوند و کشش را طولانی‌تر حس می‌کنند. چرخش قرص را ناهم‌سو کنید؛ همان گذر دم‌هایی بسیار کوتاه‌تر و کم‌ستاره‌تر می‌سازد. این همان نتیجه‌ای است که آلار و یوری تومره در ۱۹۷۲ با یک مدل ساده مثل همین صحنه نشان دادند.

در این همه آشوب، تقریباً هیچ دو ستاره‌ای به هم نمی‌خورند. فاصلهٔ خورشید تا نزدیک‌ترین ستاره حدود چهار سال نوری است، یعنی حدود سی میلیون برابر قطر خورشید؛ اگر خورشید یک دانهٔ شن بود، همسایه‌اش دانهٔ شنی چند کیلومتر دورتر بود. پس ستاره‌ها از لای هم می‌گذرند و فقط گرانش است که مسیرشان را عوض می‌کند. گاز کهکشان‌ها اما ابرهای بزرگ و پیوسته است: ابرها به هم می‌خورند، فشرده می‌شوند و موجی از ستاره‌زایی به راه می‌افتد، مثل خوشه‌های آبی جوان آنتن‌ها. گاز در این صحنه نیست و فقط ستاره‌ها و گرانش دیده می‌شوند.

این صحنه مدل «سه‌جسمی محدود» آلار و یوری تومره (۱۹۷۲) است. هر کهکشان یک مرکز سنگین است که همهٔ جرمش، یعنی ستاره‌ها، گاز و هالهٔ مادهٔ تاریک، در یک پتانسیل نرم‌شده جمع شده است: بخشی فشرده و درخشان با ۸ درصد جرم و هاله‌ای پهن با ۹۲ درصد آن. دو مرکز زیر کشش هم حرکت می‌کنند و هزاران ستاره که جرمی ندارند، فقط کشش این دو مرکز را حس می‌کنند. ستاره‌ها همدیگر را نمی‌کشند؛ پس هر دم و پل و حلقه‌ای که می‌بینید کار گرانش دو مرکز متحرک است. کهکشان الف هزار میلیارد برابر خورشید جرم دارد (آندرومدا یک و نیم برابر آن) و سرعت چرخش قرصش از ده تا صد هزار سال نوری از مرکز میان ۲۰۰ و ۲۱۵ کیلومتر بر ثانیه است؛ نزدیک به راه شیری که در جای خورشید حدود ۲۳۰ کیلومتر بر ثانیه است.

در آغاز، هر ستاره روی مداری دقیقاً دایره‌ای در قرصی نازک یا برآمدگی کوچک مرکزی است. برخورد با دو عدد ساخته می‌شود: نزدیک‌ترین فاصلهٔ دو مرکز و سرعتشان در آن لحظه، بر حسب سرعت گریز. صحنه دو مرکز را از همان لحظه، با همان قاعده‌های حرکت، به عقب می‌برد تا جایی که قرص‌ها هنوز دور از هم‌اند، و از آنجا شروع می‌کند؛ پس گذر درست در همان فاصله و با همان سرعت روی می‌دهد. همه‌چیز با روش جهشی (leapfrog) و گام‌های ۰٫۵۷ میلیون ساله پیش می‌رود؛ ستاره‌ای که قرصش تنها بماند، در دو میلیارد سال روی دایرهٔ خودش می‌ماند و شعاعش کمتر از یک درصد عوض می‌شود (آزمون «یک کهکشان تنها»). جایی که هاله‌ها در هم فرو می‌روند، اصطکاک دینامیکی از انرژی حرکت دو مرکز می‌کاهد تا جفتی که به هم بسته است برگردد و یکی شود؛ این اصطکاک را می‌شود خاموش کرد.

این ساده‌سازی‌ها را بدانید: گاز، ستاره‌زایی و کشش ستاره‌ها بر هم در مدل نیست، پس بازوهای مارپیچی آغاز صحنه با چرخش ناهمسان قرص کم‌کم می‌پیچند و تنگ می‌شوند؛ بازوهای واقعی موج چگالی‌اند و گرانش خود قرص نگهشان می‌دارد. هالهٔ هر کهکشان شکلش را نگه می‌دارد و کشیده نمی‌شود؛ اصطکاک یک قاعدهٔ ساده است، نه حساب کامل آن. پس شکل کلی دم‌ها و پل‌ها و زمان‌بندی آن‌ها به واقعیت نزدیک است، ولی کهکشانی که پس از یکی شدن می‌ماند در واقع بیضوی‌تر و هموارتر از این صحنه است. راه شیری و آندرومدا از برآورد کلاسیک وندرمارل و همکاران (۲۰۱۲) آغاز می‌شوند: ۷۸۰ کیلوپارسک (۲٫۵ میلیون سال نوری) فاصله، نزدیک شدن با ۱۱۰ کیلومتر بر ثانیه و سرعت جانبی کوچک. در این صحنه نخستین گذر حدود ۴٫۱ و یکی شدن حدود ۵٫۸ میلیارد سال دیگر است، نزدیک به برآورد همان مقاله (۳٫۹ و ۵٫۹). ستاره‌ها به رنگ کهکشان مادرشان‌اند و خورشید نمادین در ۲۷ هزار سال نوری از مرکز راه شیری است.