密度波理論:漩渦星系的形成機制,藏著宇宙一切現象的最本質規律

宇宙浩渺無限，蘊含著無窮的奧秘，從 138 億年前誕生，宇宙經過百億年的演化，宇宙已經成為一個由層次結構的、不斷膨脹、物質形態多樣的、不斷運動發展的天體系統。

行星、小行星、彗星和流星體都圍繞中心天體太陽運轉，構成太陽系。約2500億顆類似太陽的恆星和星際物質構成更巨大的天體系統——銀河系。星系聚集成大大小小的集團，叫星系團。平均而言，每個星系團約有百餘個星系，直徑達上千萬光年。若干星系團集聚在一起構成的更高一層次的天體系統叫超星系團。

其中，科學家根據可反映星系發展狀態的序列號對星系進行了分類，可以粗略地將星系劃分出橢圓星系、透鏡星系、漩渦星系、棒旋星系和不規則星系等五種。

但從外觀形態上看，則可歸結為三大類型：扁率各不相同的橢圓星系；形同水中旋渦、具有兩條或更多條螺線狀「旋臂」的旋渦星系；形狀不定的不規則星系

旋渦星系是觀測到的數量最多、外形最美麗的一種星系；它的形狀很像江河中的旋渦，因而得名。這類星系在其對稱面附近含有大量的瀰漫物質，從正面看，形狀像旋渦；從側面看，便呈梭狀。仙女座星雲、三角座星雲都是這種類型的河外星系。

漩渦星系擁有螺旋臂，因為漩渦星系擁有為數眾多的恆星，並且在重力的作用下形成相對是扁平的盤面。這個盤面不停地旋轉著，並且在中心聚集著比外緣更多的恆星，以更高的速度在移動。這樣的結果導致從星系之外的上方或下方觀察，會看見恆星形成螺旋臂的形式。

那兩條明顯紫紅色的就是螺旋臂

銀河星系也是屬於漩渦星系，共有4條旋臂。包含一、二千億顆恆星。

在很久以前，人類就對宇宙星辰產生了很大的興趣，並且誕生了佔星師這樣的職業，但是因為設備的限制，人們總是很難近距離地對宇宙進行觀測，所以難免會存在偏差。

1609年義大利科學家伽利略·伽利雷發明了40倍雙鏡望遠鏡，這是第一部投入科學應用的實用望遠鏡。自此之後，宇宙星辰盡收納於眼中。

伽利略首先用望遠鏡觀測銀河，發現銀河由恆星組成。而後，T.賴特、I.康德、J.H.朗伯等認為，銀河和全部恆星可能集合成一個巨大的恆星系統。

18世紀後期，F.W.赫歇爾用自製的反射望遠鏡開始恆星計數的觀測，以確定恆星系統的結構和大小，他斷言恆星系統呈扁盤狀，太陽離盤中心不遠。

扁盤狀

而到了 1845年，羅斯在觀測獵犬座星系M51時發現旋渦星系存在，並且發現了漩渦星系存在的螺旋臂，後來科學家對螺旋臂進一步觀察，發現旋臂都在恆星富集之處，主要成員大都是明亮的年輕恆星，以及由之產生的稠密氣體——塵埃雲，其中有許多電離狀態的氫雲（即電離氫區）。新的恆星以特別高的速率在旋臂處生成，堪稱恆星的搖籃。

隨著人們對宇宙的觀測不斷加深，漩渦星系的螺旋臂讓科學家疑惑不解，螺旋臂是由星系的核心延伸出來的漩渦和棒渦組成的區域。這些長且薄的區域類似漩渦，漩渦星系星系也因此而得名。然而漩渦星系是由幾十億乃至幾千億顆恆星構成的，此外還有大量的星際氣體和塵埃物質。旋渦星系的自轉是較差自轉，當它們環繞星系中心作旋轉運動時，星系最外圍(邊緣)的恆星運動得比接近中心的恆星更快，內部的自轉角速度大於外部的角速度，旋臂本應當越纏越緊，最終完全纏繞在一起，最終使旋臂消失殆盡。

但是現實中並未出現這樣的情況，科學家就很好奇星系是如何維護他們的漩渦結構的，這就是天體物理學界著名的「纏卷疑難」問題。

有人認為維持旋渦結構的力量來自星際磁場，認為恆星就像磁場裡的鐵粉呈花紋狀排列。但觀測和演算結果都顯示磁場強度不足以維持這種奇特的結構。

而 20 世紀四十年代，天文學家林德布拉德看見一群海鷗掠過水麵，激起了無數漣漪。靈光一閃，由此，星系旋臂結構形成的著名假說——「密度波理論」就誕生了。林德布拉德提出如果把星系比作流體而不是剛體，把星系裡的無數恆星比作旋渦運動的水分子，那旋臂結構可以看成是種流體波，即密度波或壓縮波。旋臂並非剛性的物質臂，而是由於路經這些區域的恆星和星際氣體以及塵埃因引力作用而密集，密度加大而速度減慢，過了旋臂則因密度減小而加快了速度。旋臂中的「居民」不是一成不變的，而是川流不息的。這就解釋了星系旋臂不產生纏繞的原因。

其中密度波是指使旋渦星系宏觀圖像保持準穩狀態的物質密度和速度的波動。

但是林德布拉德的理論還存在著許多的問題，真正系統提出密度波理論的則是林家翹。

林家翹可以說是一位全能型的科學家，他在流體力學、天體物理等方向上取得了舉世公認的成就，而且為是應用數學學派的領路人。大家可以看看他的貢獻，在世界科學史上都佔有非常重要的地位：

林家翹在20世紀40年代提出的流動穩定性和湍流理論，解決了困擾科學界多年的「海森堡猜測」問題。他和西奧多·馮·卡門一起提出了均勻各向同性湍流的譜理論，對早期湍流統計理論的發展具有重要影響。林家翹發展了解析特徵線法和WKBJ方法。在數學理論方面，他也有些貢獻，其中最突出的是他證明了一類微分方程中的存在定理，用來徹底解決海森伯格論文中所引起的長期爭議。在人才培養上，他為中國培養了著名的天文學家徐遐生教授

當時林家翹對於林德布拉德的密度波理論表示認同，憑藉著自己在數學上深厚的功底，林家翹經過艱苦的計算，他建立了螺旋密度波理論。按照該理論，旋臂是恆星、塵埃等天體繞星系中心運動時空間分布較密集的區域，兩個旋臂之間較暗的部分，則只有較少的天體。組成旋臂的天體並非始終處於旋臂中，而是有進有出。換句話說，人們看到的旋臂，是密布其中的恆星發出的光，而非星系長出的「肢體」。

林家翹在講解螺旋密度波理論

林家翹指出旋渦結構並不是永遠由同一批物質組成。它實質上是物質集中處低引力勢區的波動狀圖案。恆星並不是永遠停留在旋臂上。恆星按照近於圓形的軌道繞星系中心旋轉。在運動過程中，恆星將進入，然後再走出旋臂。恆星進入旋臂後由於旋臂區恆星密集和引力場強而減慢速度。但另一方面，速度的減慢又使恆星擠在一起 ，密度增大，引力場加強 ，因此，一旦出現了旋臂圖案，這種圖案將自行維持。

換句話說，旋臂由密度波波峰的跡線構成。波形圖案並不與物質相聯，而是以不同的角速度運動。相對運動速度平均約30千米/秒。正是這種運動維持了旋渦星系的規整外貌，也解決了固定物質旋臂因較差自轉帶來的纏繞困難。

準穩態密度波理論預言的年老恆星旋臂和氣體旋臂的位置偏移

而恆星進入旋臂引力勢阱後，在那裡停留一段時間再隨軌道運動出來。星際氣體在進入懸臂時受到突然壓縮，可能觸發恆星形成，林家翹的密度波理論成功地解釋了明亮年輕恆星集中分布在懸臂上的現象。

他還建立了密度波理論模型，通過將數值帶入模型，漩渦星系的螺旋臂都能與理論模型相吻合，當時大家都認為獵戶座是銀河系的主旋臂，所以當時著名天文學家袁旗算出了一個數值，然而將這個數值代入理論模型後，銀河系的獵戶臂始終無法與理論模型吻合。

林家翹則提出，獵戶臂不是銀河系的主旋臂，而是一個枝節，因此不完全適用於模型。林家翹的言論打破了當時天文學界的固有印象，但是後來經過仔細觀測，林家翹的言論得到了證實，如今，這一論斷已被天文學界廣泛接受。

隨著越來越多的觀測數據對林家翹的密度波理論的支持，如今，密度波理論已經成為了解釋星系旋渦結構的理論。

密度波理論對於天文學的研究具有非常重要的意義，要知道在天文學界對於漩渦星系的演化過程的模擬，漩渦結構的維持一直是一個非常困難的事情，困擾了天文學家很久，而密度波理論則成功解釋了這一問題，它還進一步被用於研究棒旋星系，並對哈勃提出的星系分類給予了統一的力學解釋，1996年，還成功解釋了NGC 6946中間螺旋星系的巨大螺旋臂，密度波理論還成功論證了太陽系對稱的八大行星模式。

密度波理論有助於我們了解星系的起源、演化和穩定性問題，從而洞悉宇宙這百億年來的演化及運行法則。

而在在密度波理論的創建過程中，林家翹還發現，密度波與湍流存在某種規律相似性。這意味著，長達幾萬、十幾萬光年的旋臂，可能與地球上隨處可見的水、空氣有著相同的運動規律。

林家翹這個時候就開始思考，既然如此，在這千變萬化的物質世界裡，有沒有一種理論，包含著「造物主」所有的奧秘，描述著自然界一切現象的最本質規律？

找到自然界不同現象背後的大一統規律——這就是所有科學家們的終極之夢。林家翹後半生一直都在朝著這個方向努力。

他曾說：「物理學所有的定理都可以用數學公式在一張紙上表示出來。人類的智慧堅持用簡單的概念闡明科學的基本問題，所有的科學問題在本質上都是簡單而有序的。」

但是因為年紀老邁，精力不夠，心有餘而力不足，林家翹留給科學界的這份巨大禮物——密度波理論，誰能夠從中找到自然界一切現象的最本質規律呢？