銀河系大了100倍!圍繞銀河中心4旋臂,並非實體,只是波峰跡線

2020-12-03 華箋流香

》一直以來,甚至幾個月前,教科書裡的銀河系版本都是直徑10萬光年。科幻電影《星球大戰》裡所有的故事,都是以此為背景展開的,銀河帝國的疆域範圍就是直徑10萬光年的銀河系。

直到今年6月,日本位於夏威夷島上的8.2米單口徑光學望遠鏡~昴宿星團望遠鏡,對銀河系銀盤恆星的密度進行了測量,發現在50萬光年以外恆星的密度突然下降。所以天文學家們認為,那裡就是銀河系的邊界。

然而,星系盤內的恆星密度隨時都在變化,就是這種變化,形成了星系的美麗形狀。

銀河系的中間是一個巨大的黑洞,位置在半人馬座方向,質量約為幾百萬個太陽質量。我們所在的太陽系,距離銀河中心2.6萬光年左右。

直徑10萬光年對比直徑100萬光年,讀者可以自行想像一個直徑10釐米的碟子和一個直徑一米的圓桌的差別。

》所謂不識廬山真面目,只緣身在此山中。直到今天,人類一直沒有辦法直接看到銀河系的形狀。

我們看到的銀河系的銀盤,被厚厚的塵埃和恆星所阻擋,使我們無法看到銀河系的邊緣。從地球上觀測,恆星和星雲圍繞在地球的周圍,成為一個環帶狀。英語稱之為milky way(牛奶之路),古人稱之為銀河、星漢。

在天空中沒有一面巨大的鏡子,在所有的教科書裡面的銀河形狀,都是根據想像的圖畫出來的。

根據人類連觀測帶猜測的想像,銀河系有4條旋臂:英仙座旋臂,獵戶座旋臂,人馬座旋臂,3000秒差距旋臂。

》宛如風車形狀的美麗星系,那些彎曲的旋臂,並非實體,只是密度波波峰的軌跡線。

銀河系的四大旋臂,緊緊圍繞著中心大黑洞,就仿佛中心大黑洞是一根軸,而這些旋臂像是風車上的風扇頁。

我們的太陽系就位於獵戶座的旋臂內側。旋臂內的恆星是不固定的,它們的流進流出,在局部範圍內的密度增加,才組成了視覺效果上的旋臂。

也就是說,在若干年前,太陽系位於獵戶座懸臂的外側,慢慢的流到了旋臂的內側,最終會離開獵戶座旋臂。

恆星和星際物質,之所以在旋臂範圍集中,因為那裡有一個看不見的引力勢阱,根據廣義相對論,更確切的說,是一個扭曲的時空範圍。

這個扭曲的時空範圍,旋轉著橫掃整個銀河系的銀盤,所到之處,改變了恆星和星際物質的間距和密度,讓銀河系銀盤內的恆星密度像波浪那樣起伏,這就是所謂的「密度波」。

星系的旋臂,所展現出來的形狀,就是密度波的波峰軌跡線所構成的。

由於在旋臂內富集的星際間物質比較多,所以那裡是年輕恆星的搖籃。

》越接近於星系的中心,恆星旋轉的角速度越快,如果旋臂是由物質組成的,隨著時間的推移,旋臂就會越纏越緊,還會像拉麵一樣,越拉越細。

正是由於密度波,才避免了上述情況的發生,讓星系維持著美麗的形狀。

密度波理論是由天文學家林德布拉德首先提出的,後來又經美籍華裔天體物理學家、流體力學專家和數學家林家翹等人發展成完整的數理理論。林家翹是一位天才的學者,著名的物理學家李政道曾經想拜林家翹為師學習流體力學。

》正是由於大質量扭曲了時空,才產生了密度波。但是銀河系的質量,卻遠遠的比觀測到的要大很多。

如果銀河系的質量都是由可觀測到的那些恆星、白矮星、中子星、黑洞以及行星和星際間塵埃所構成的,那麼銀河系早就解體了。

因為圍繞銀河系中心運行的星體,它們的速度遠遠高於可見物質所能夠提供的引力維繫的速度。

這表明銀河系內有龐大的暗物質,提供額外的引力。根據計算,這些龐大的暗物質所佔的質量,高達85%。

現在尚不清楚的是,暗物質在形成密度波的過程中起了多大的作用。

》銀河繫到底有多大多重,一直存在疑問。以前我們以為仙女座大星雲是本星系團中最大的。

哈勃太空望遠鏡對仙女座大星雲直接觀測的結果顯示,仙女座內有1萬億顆恆星。銀河系內的恆星,估算數量在5000億顆左右。但是根據天體的運動規律,銀河系內的恆星運行速度要快,計算出來的銀河系內的逃逸速度是550公裡每秒。仙女座大星雲內計算出來的萬有引力逃逸速度為470公裡每秒。

80公裡每秒的逃逸速度差顯示,銀河系比仙女座大星雲要更重。

在今年6月科學家用昴宿星團望遠鏡確認銀河系邊界之前,科學家就開始不斷的把銀河系的範圍向外延伸。科學家也曾經認為銀河系的直徑有16~20萬光年。但是從來沒有哪一次像這次推進的如此遙遠。

如果按照銀河系的半徑是52萬光年,那麼已經把大麥哲倫星雲和小麥哲倫星雲包括在銀河系內。因為大小麥哲倫星雲距離銀河系中心的位置大約只有20萬光年(其中大麥星雲18萬光年,小麥星雲21萬光年)。

銀河系比我們想像的要大得多,而且結構也要複雜的多。

銀河系應該才是本星系群中的老大。在銀河系的外圍可能有更多的恆星組成的星流和旋臂。

目前的觀測證明,被銀河系銀盤所分割的天球,上下兩半球在人類的視野裡一樣的遼闊。從目前的認知狀況來說,銀河系確實位於可觀測宇宙的物理中心。

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    記者23日從南京大學獲悉,由中美德三國天文學家領導的國際團隊歷經15年研究,繪製出目前最精確的銀河繫結構圖,明確銀河系是一個具有4條旋臂的棒旋星系。近日,《科學美國人》發表了由南京大學天文與空間科學學院鄭興武教授與美國哈佛-史密森天體物理中心天文學家、美國科學院院士馬克·裡德撰寫的封面文章《銀河系新視野》,總結了二人同德國馬普射電天文研究所卡爾·門滕教授領導的國際團隊15年來的研究成果。
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