星系中螺旋結構的起源是什麼?

2020-11-30 天文在線

問:螺旋星系中的螺旋引力波來源於哪裡呢?我了解到,接近螺旋星系的正中核心,恆星的密度是如此之大以至於它們的軌道運動在某種程度上被共同的引力所支配。這導致了內部恆星的減速與外部恆星的加速,是違背克卜勒定律的。所以這種螺旋引力波是不是這樣一種違背運動作用得到的結果呢?

答:這是個十分有趣的問題,那些銀河系外的天文學家對此思索良多。螺旋臂能在大量的鄰近星系中被看到,而我們就住在一個螺旋星系中,所以一定是某些很通用的東西導致了它。

結果就是,如果你假設旋臂是物質的(例如是由總是位於旋臂中的恆星組成且這些恆星的密集程度要大於旋臂外的那些)然後在星系旋轉時瞬間消失(「瞬間」是相對於宇宙的年齡來定義的!)。所以讓旋臂消失的這個過程同時也會將它們保留下來(否則它們就會消失啦)。

這裡同時也存在著不同種類的螺旋結構。一些星系(如下面的M51)是我們所謂的「大設計」螺旋,意思就是它們有著清晰的結構和良好設計的螺旋結構。其他的星系(例如NGC 4414)被稱為「絮凝」螺旋,跟蹤它們的旋臂是極其困難的。

而這些旋臂之間也會或多或少的緊緊纏繞,一些有著螺旋旋臂的星系擁有旋棒(如NGC1300)而其他的星系(像M51)並沒有。任何關於螺旋結構如何生成的理論必須要把以上所有情況都考慮進去。

目前有兩個盛行的理論,一個就是更普遍地用於解釋大設計螺旋,另一個則是用於解釋絮凝螺旋。

密度波理論

這是個更適用於大設計螺旋的模型。在這個模型中,旋臂在盤的密集區域上方,盤以不同的速度向恆星運動。因此恆星看起來就像是在旋臂中進進出出(這就與這一想法十分吻合:在旋臂中有更多的恆星的形成,因為許多星系都被觀察到在旋臂經過的地方有更多的新生恆星)。

目前還尚不明確這些密度波是如何形成的,但也許與星系間的反應有關(許多大設計螺旋有著更小的伴星系-如M51)。一旦它們被建立起來,它們可以持續足夠長的時間,與我們所看到的螺旋星系的數量保持一致。

隨機自傳播式恆星形成

這個模型也許不能解釋大設計螺旋,但它可能是造成絮凝螺旋結構的原因。它說的基本上就是如果有觸發鄰近區域的恆星形成的恆星形成(這不是個不現實的想法),那麼隨著星系的旋轉,「自傳播式恆星形成」將會導致螺旋形狀的出現。「隨機」的部分是因為在圓盤的所有區域都有一個很小的隨機恆星形成的概率,而這些區域是保持物體運動的。在計算機模擬中,這實際上創造了合理的絮凝螺旋。

相關知識

螺旋星系是埃德溫·哈勃在1936年的著作《星雲的領域》中最初描述的一類星系,因此構成了哈勃序列的一部分。大多數螺旋星系由一個扁平的、旋轉的圓盤組成,圓盤上有恆星、氣體和塵埃,以及一個被稱為凸起的恆星集中區域。這些恆星周圍通常環繞著更暗淡的恆星暈,其中許多位於球狀星團中。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. Kristine Spekkens- curious.astro.cornell

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