為什麼漩渦星系的旋臂不會發生纏繞?看看天文學家怎麼說

2020-11-25 騰訊網

想一想你在夜空中見過的最壯觀物體。當然，有大量目標可供選擇，包括即將消亡的恆星，超新星殘骸，孕育恆星的星雲以及新舊星團，但沒有什麼能夠和漩渦星系的壯麗相比較。這些「宇宙島嶼」中存在著數以億計的恆星，向我們展示著它們獨一無二的構造。你要知道，對於這一個結構，如果你認真想想，那是令人費解的，正如我們的提問者格雷格 羅傑斯所做的一樣:

圖源：歐洲航天局/哈勃和美國航天局

關於漩渦星系，有一件令我困擾的事就是，我們只能看見旋臂繞起來大約一半左右。因為外圍繞著核心旋轉地更慢一些，我希望我們能觀察到一些旋臂圍繞著核心繞了很多次——有很多螺旋的漩渦星系。難道是因為宇宙還不夠古老，還不足以形成旋臂多層的漩渦星系？

你可以去觀察任意數量地漩渦星系，它們都具有有相同的表觀構造。

畫廊：來自梅西耶·卡特羅格的七份令人稱奇而經典的漩渦星系圖

星系核會放射出任意數量的旋臂——通常是兩到四個——它們繞著星系呈螺旋狀向外延伸。我們在二十世紀七十年代最神奇的發現之一就是，恆星以軌道運轉速度繞星系中心向外延伸時，它們的移動並不會變緩，這與我們過去對行星繞恆星運轉其速度會減緩的認知不符。相反，恆星運轉速度會保持恆定，也就是說星系自轉曲線是不變的。

圖片致謝：維基共享用戶斯特凡尼亞·德盧卡

我們通過觀察邊緣螺旋，以及單個恆星相對於它們到各自星系中心的紅移或藍移來測量。但即使單個恆星的運轉速率大致不變，一顆恆星到星系中心的距離是另一顆的兩倍，它的繞行時間即為另一顆的兩倍，那麼一顆距離星系中心是另一顆十倍遠的恆星的繞行時間就是另一顆的十倍。

考慮到是這種情況，我們可以做一點數學計算：對於一個像銀河系這樣的星系，基於太陽和其他恆星的移動速度，太陽需要約2.2億年形成繞銀河系的單一軌道。我們距銀河系中心約為2.6萬光年，要略少於到銀河系邊緣距離的一半。這意味著對於像我們這樣有1~120億年的歷史星系來說：外圍恆星應該只繞銀河系中心運行了25周；與太陽處於相同位置的恆星應該運行了近似54周；而位於星系中心一萬光年內的恆星應該已經運行超過100周。換句話說，根據以下視頻所展示，我們推測星系會隨著時間的推移而「結束」。

圖源：歐洲航天局

但根據星系圖顯示，漩渦星系並不會有環繞數十次的旋臂；在大多數情況下，旋臂甚至沒有一次完整的環繞！我們第一次明白漩渦星系的這一屬性時，意味著有一件事是肯定的：這些旋臂僅是一種視覺效應，並非真實存在。毫無疑問這是正確的，無論是單獨存在的星系還是多重星系系統。如果我們仔細觀察，就會發現這些星系還提供了另一個線索。

圖源：歐洲南方天文臺，使用帶有EFOSC儀器的3.58米的新技術望遠鏡在智利的拉西亞天文臺拍攝。

你注意到沿著旋臂一路點綴的粉色斑點了嗎？這些斑點出現在新恆星形成的活躍區域；粉色信號其實是在656.3納米的波長上發射的過量光。當熾熱的新星明亮地燃燒著，這時的它們已能夠電離氣態物質，然後電子和質子重新結合形成新的氫原子，這些新形成的氫原子發出某些特定頻率的光，其中就包含能產生粉色區域的波長。

這向我們表明，旋臂形成於星系中物質高密度集中的區域，而隨著時間的推移，恆星可以隨意運動於旋臂內外。

圖源：美國航天局

解釋這一現象的理論自1964年就存在，被稱作密度波理論。密度波理論認為不論何時，旋臂似乎停在相同的位置，就像交通堵塞時的車輛會停在同一位置一樣。即使單個物體（旋臂中的恆星；車流中的車輛）能自由移動，但在任意給定時間內，擁堵車流中的車輛總數保持恆定。這樣以來，隨著時間的推移，密集模式仍保持自身不變。

圖源：歐洲航空局

這背後的物理學原理很簡單：不同半徑的恆星產生不同強度的引力，這些引力用來維持漩渦星系的螺旋形狀。換句話說，如果你在一個氣體密度過大的區域，並讓你的「磁碟」轉起來，你會得到一系列恆星形成的原始區域：原始旋臂。而當星系隨著時間不斷進化，這些旋臂--包括過密區--都是通過引力作用維持其形狀的。

值得注意的是引力的作用效果很好，無論你所在星系周圍的巨大光環是否存在暗物質（下圖右側），或者根本沒有（下圖，左側）。

圖源：維基百科 共享用戶因格·伯格，在福布斯網站觀看動圖。

格雷格，即使你所提出的假設有所缺陷，但由於星系中的外圍恆星運動速度和內側恆星一樣快（物理速度上的），所以無論星系的年齡有多大，旋臂也不會發生纏繞，這是由星系本身的物理因素決定的。就好比堵車，在任何給定的時間內，位於旋臂中的恆星，大氣和塵埃肯定要比街道上的汽車更多，但一旦它們再次共同向外移動，它們仍能在彼此之間找到合適的距離，正如我們的太陽所經歷的一樣。

所以，格雷格，請儘快聯繫我並附加上你的地址，因為你剛剛贏得了2016年的太空日曆！為你所贏得的勝利機會，向伊桑提出你的下一個問題或建議吧；今年剩餘時間中的被選中的提問者都將是贏家。

作者: startswithabang

FY: 仙人胖胖

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