想想你在夜空中看到过的最壮观的物体。当然,有一大堆的目标可供选择,包括垂死的恒星、超新星残骸、形成恒星的星云和新旧星团,但没有什么能与螺旋星系的美丽相比。这些“岛屿宇宙”包含了数十亿到数万亿颗恒星,它们呈现出自己独特的结构。注意,如果你仔细想想这个结构,会觉得很费解,就像我们的提问者格雷格·罗杰斯所做的:

关于螺旋星系,有一件事一直困扰着我,那就是你只能看到旋臂绕了一半左右。由于外围围绕着核心旋转的速度较慢,我预计人们会看到一些星系的旋臂绕着核心转了很多次。难道宇宙的年龄还不足以让这些缠绕得更紧的螺旋星系形成吗?

密度波理论:旋涡星系的形成机制-MAAMX

图片来源:欧洲航天局/哈勃和美国宇航局。

当你观察任何一个的螺旋星系,它们都展示出相同的表观结构。

从星系中心向外辐射出的螺旋臂数量不定——通常在2到4个之间——它们环绕着星系向外螺旋运动。在20世纪70年代,我们产生了一个奇妙的发现,与我们的预期完全相反,原本认为当你向外移动时,恒星围绕星系的轨道速度不会变慢,就像行星绕着我们的中心恒星转的越远,速度就越慢。相反,另一种说法就是恒星的移动速度保持不变,说明星系的旋转曲线是平面的。

密度波理论:旋涡星系的形成机制-MAAMX

图片来源:维基共享用户斯蒂芬妮娅·德卢卡。

我们测量它的方法是通过观察边缘的螺旋,观察单个恒星相对于它们到银河系中心的距离有多少红移或蓝移。但是即使单个恒星的速度大致是恒定的,一个离中心两倍远的恒星绕一圈需要两倍的时间,而一个十倍远的恒星绕一圈需要十倍的时间。

考虑到这种情况,我们可以做一些计算:对于像我们银河系这样的星系,根据太阳和其他恒星的运动速度,太阳绕银河系运行一周需要大约2.2亿年。我们距离银河系中心大约26,000光年,我们离它的外围还有不到一半的距离。这意味着,对于一个像我们银河系这样大约有120亿年历史的星系来说:外层恒星应该只完成大约25次轨道运行;太阳所在的恒星应该已经完成了大约54个轨道;1万光年内的恒星应该已经完成了100多次轨道运行。

密度波理论:旋涡星系的形成机制-MAAMX

但是,正如我们的星系图像所显示的,它们不会环绕几十次;螺旋臂在大多数情况下甚至一次都不环绕!当我们第一次意识到星系的这种属性时,有一件事是肯定的:这些旋臂不是物质,它们只是一种视觉效果。无论星系是否处于孤立状态,这都是正确的。但如果我们仔细观察,这些星系还提供了另一种暗示。

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图片来源:ESO,由EFOSC仪器拍摄,安装在ESO位于智利的La Silla天文台的3.58米新技术望远镜上。

你注意到螺旋臂上布满了“粉红色”的点了吗?每当我们有新星形成的活跃区域时,这些就会出现;粉红色的信号实际上是一个非常精确的波长的发射光的过量:656.3纳米。这种发射光在高温的时候产生,当炽热的新恒星明亮地燃烧,足以电离气态物质,然后当电子与质子重新结合时,新形成的氢原子以特定的频率发光,其中就包括一种可以使这一区域发出粉红色的光。

这向我们表明,这些旋臂实际上是由物质密度高于星系中其他位置的区域构成的,随着时间的推移,恒星可以自由地进出这些旋臂。

密度波理论:旋涡星系的形成机制-MAAMX

解释这一现象的理论自1964年以来一直存在,被称为密度波理论。该理论认为,随着时间的推移,旋臂本身似乎停留在同一地点,就像交通堵塞停留在同一地点一样。即使是个别的物体(旋臂上的恒星; 交通堵塞的汽车) 可以自由移动,在任何时候,堵在“轨道里”中的星星数量都是相同的。这导致稠密程度随着时间的推移而保持稳定。

密度波理论:旋涡星系的形成机制-MAAMX

它背后的物理学原理甚至更简单:不同半径的恒星都会产生我们所习惯的引力,而这些力正是维持螺旋形状的力量。换句话说,如果你从一个气体密度过高的区域开始,并允许你的“圆盘”旋转,你会得到一系列恒星最初形成的一系列区域:原臂。随着时间的推移,星系不断演化,这些旋臂——以及密度过高的区域——仅靠引力的作用得以维持。

值得注意的是,不管在你的星系周围是有一个巨大的光环(下图,右侧),或者根本没有暗物质(下图,左侧) ,这种理论都同样有效。

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图片来源:维基共享用户英戈·伯格,《福布斯》工作人员将其变成了GIF。

尽管你问题的前提是有缺陷的,格雷格,但因为一个星系中的外层恒星和内部恒星的运动速度一样快,所以臂状结构永远不会停止,不管一个星系有多老,这都是由星系本身的物理特性决定的。恒星、气体和尘埃这些物质就像交通堵塞,发现自己在旋臂在任何时候附近都很拥挤, 一旦它们再次移出,它们会发现自己和其他恒星之间的距离很遥远,就像我们今天的太阳一样。

参考资料

1.维基百科全书

2.天文学名词

3. Ethan Siegel Senior Contributor- J.Smiley

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