互动科普

星系优雅的旋涡形状是天文学的经典画面之一。星系M51就是一个典型的例子：它状如一个巨大的气旋，人们最早曾称它为“涡状星云”（whirlpool）。这个星系中，最明亮的恒星犹如珍珠一般，穿成一串盘绕着的“项链”；黑暗的尘埃条纹穿插在恒星珠串旁边，泄露出星际气体（interstellar gas）的行踪——星际气体聚集的地方也是恒星的诞生地。在M51和许多其他星系中，旋涡图案被锚定在一个恒星内环上。不过大多数星系中的旋涡，都是从一根恒星棒（bar，众多恒星构成的明亮长条状结构）的两端延伸出去的。一个有棒星系（barred galaxy）看起来就像旋转的草坪洒水器，水从一根直管中流过，从直管两端垂直喷出，再盘旋着洒向四周。

大部分人以为，我们所在的银河系是一个纯粹的旋涡星系。不过，天文学家现在知道，它其实是一个棒旋星系（barred spiral）。科学家从1975年开始收集相关证据，尽管最开始只是些间接佐证：假如旋涡图形一直深入到星系中心，那里的天体就应该遵循某种特定的轨道，可是银河系中央的恒星和气体的运动轨迹并非如此。近年来利用近红外光（near-infrared light）所做的巡天观测，已经直接揭示出恒星棒的存在，打消了人们残存的疑虑（近红外光可以穿透尘埃云，让我们直视银河系的中心）。

看起来，棒和旋涡似乎是永恒不变的实体，但实际上，它们是动态的图案，是在恒星、尘埃和气体盘中荡漾的波纹，其中的物质经常会发生剧烈的重新分配。观测者看到的，只是它们在某个瞬间的情景，就像用高速闪光灯拍下的定格照片。人们认识到看似永恒不变的星系性质（比如它们的形状），其实会随着时间发生戏剧性变化——这是过去十年来天文学的一大主题，而这些波纹正是其中的一个方面。人们最熟知的“变形”过程是星系的吞并：与一个邻近星系的并合，可以把一个规整的旋涡星系，变成凌乱有如蜂群的椭圆星系（elliptical galaxy）。不过天文学家也逐渐意识到，星系内部的波纹也许更为重要。

星系“软”盘

棒旋星系和普通的旋涡星系都会旋转；它们的恒星以规则的模式围绕中心公转。不过这种旋转并不是刚性的，不像一个固体圆盘那样整块旋转，它们的恒星也不会以完全一致的步调运行。过去50亿年来，银河系最内侧的恒星已经绕着中心旋转了上千次，而位于星系盘约1/2半径以外的太阳，仅仅完成了大约20次公转。轨道速率不同，使棒和旋涡无法成为固定结构。否则，它们很快就会像绞盘上的绳索那样越缠越紧。

几十年来，天文学家一直想知道，是什么维持着这种形状的存在。20世纪60年代，当时同在美国麻省理工学院的林家翘（Chia-Chiao Lin）和徐遐生（Frank Shu），提出密度波理论（theory of density waves），解开了一部分谜题。在这个理论中，棒和旋臂（spiral arm）都是超高密度的波纹，恒星在那里拥堵在一起，造成一场宇宙大塞车。恒星不断在波纹中进进出出，就像一场交通堵塞中的汽车，前面的会离开，后面的又会不断地堵进来。

这种波纹与恒星轨道的同步有关。星系中的恒星轨道不同于围绕着太阳的行星轨道，或者围绕着地球的卫星轨道，因为星系不是由单一的中央天体统治。尽管大部分星系都拥有一个中央黑洞，但相对星系来说，它的质量微不足道。星系中大部分的质量是分散的，迫使恒星沿着一条类似用Spirograph画出的玫瑰形轨迹运行：这是一条自身并不闭合的椭圆轨道，在恒星完成一圈公转的同时，轨道本身也发生了偏转（参见右侧插图）。以太阳为例，它在椭圆轨道上走完一圈大约需要2.3亿年；与此同时，它的轨道也偏转了105度。因此，太阳的椭圆轨道每7.9亿年就完整地旋转一周。

如果恒星椭圆轨道的偏转速度差异巨大，星系就不会出现波纹结构。恒星会随机地彼此靠近，很快又会再度分散，就像在一条自由通畅的公路上，汽车短暂地聚拢在一起。只有当许多或全部椭圆轨道都以同样的速率偏转时，波纹才会出现。在棒状波纹中，这些椭圆轨道都排列一致，在它们的长轴方向上产生了一片密度增强的区域。在旋涡波纹中，这些轨道渐次错开，因此密度增强的区域被扭成了曲线。

简而言之，即使恒星本身无法步调一致，它们的轨道仍然可以保持同步。是什么原因导致了椭圆轨道的同步偏转呢？答案是：自发的引力不稳定性。这些系统中的引力不是一个固定的外力，而是由恒星自身产生的，因此波纹可以自我强化。当恒星轨道碰巧排列一致时，这个过程就开始了。因为靠近而被放大的恒星引力改变了椭圆轨道偏转的速度。偏转较快的轨道速度减慢，偏转较慢的轨道速度又加快，这样它们就会达到同步。当恒星进入波纹时，引力会将它锁在其中，但这仅仅是暂时的；一段时间后，它会被释放，并且离开波纹。与此同时，波纹的另一侧又会有别的恒星补充进来，确保这个结构持久存在。

搅动波纹

在星系内侧，恒星的运动速度超过波纹，因此它们会追赶波纹；在星系外侧，恒星运动得较慢，因而波纹会从后面赶超它们。这两个区域之间存在着一个共转圈（corotation circle），波纹在那里以同样的速度伴随着恒星一起旋转。

除了共转圈外，星系盘中还存在另外两个特殊位置，一个位于圈内，另一个位于圈外。它们被称作林德布拉德共振（Lindblad resonance）圈——这得名于它们的发现者，瑞典天文学家贝蒂尔·林德布拉德（Bertil Lindblad）。在这些位置上公转的恒星与波纹之间保持着某种同步：每当恒星追上波纹（或被波纹追上）的时候，它们都会抵达各自公转轨道的某个特定位置。这种协调性使波纹施加在恒星上的轻柔拉力得以增强。在调整轨道和限定密度波边界等方面，林德布拉德共振和其他共振起到了明显的作用。类似的过程还限定了行星环的边界。

密度波理论解释了棒和旋涡结构持久存在的方式，不过就在林家翘和徐遐生提出这个理论后不久，它就陷入了自己制造的麻烦当中。美国麻省理工学院的阿拉尔·图莫（Alar Toomre）注意到，这些波纹会在星际气体中产生激波（shock wave），从而损失自身能量，因此必须有某些东西给它们重新提供能量。更加复杂的波纹运动提供了一种解释：在星系中盘旋的波纹并非只有一道，多道波纹也可以向内外两个方向传播。共转圈起到了分界面的作用，既可以反射，又能够传递这些波纹，使它们可以从星系整体的旋转动能中汲取能量。波纹可以在中心区域来回反弹，越变越强，就像身处在一个宇宙回音室中。

这种复杂的波纹放大和反射机制是一个看似合理的假说，不过它的方程非常复杂，除非加上严苛的近似条件，否则无法精确求解。因此天文学家不得不采用计算机数值模拟的方法——在使用穿孔卡片进行计算的年代里，这绝对不是一件轻松的工作。早期的努力表明，多余的复杂波纹非但不能挽救旋涡结构，事实上还会加速它的瓦解。起先旋涡结构会演化形成，但很快就会消失，只剩下一个棒状结构。理论学家无法找到一种方法，既不违背其他的观测数据，又能避免棒的形成。

到上世纪八九十年代，这种不太令人满意的情况终于彻底改变，当时我和同事在模拟中加入了另一项因素——气体。因为气体还不到旋涡星系总质量的10%，所以为了使模拟更容易操作，此前建立的模型都忽略了气体。可是气体所起的动力学作用与它的质量比重不成比例。星际气体云经常发生碰撞，将它们的动能转化为激波和辐射，而后平静下来。因此气体云更容易受到波纹不稳定性的影响。相反，恒星极少相撞，因此它们的相对速度可以千差万别，在穿越波纹时也更不易受到影响。

一旦我们把气体考虑进来，模拟立刻就产生了丰富多样的星系形态。由恒星棒施加的转矩（torque）就像一个巨型搅拌器，连续不断地驱动着气体中的一个旋涡结构。这个旋涡不会像早期模拟中的旋涡那样消失不见。此外，富含气体的波纹还为星系天文学中许多长期得不到解答的难题找到了解决之道。首先，它们解释了旋臂前缘（即朝着前进方向的旋臂边缘） 尘埃带的存在。因为碰撞，这些气体（混杂着尘埃）没能与恒星保持一致：它们损失了轨道能量，落向星系中心，并且跑到了旋臂中恒星的前方（参见右侧的插图）。

在恒星棒短短几圈的旋转中，能量损耗会把气体一直拖到星系的中心，这段时间通常约为十亿年。气体会在星系的中心形成新的恒星。因此，波纹解释了星系中心长期居高不下的恒星形成率，也许还能解开中央黑洞的燃料补给之谜。将物质灌入黑洞并不像想象的那样轻而易举。尽管星系总想把自身的引力势能降到最低，从而将质量聚集到星系的中心，但旋转和由此产生的离心力会与那些引力相抗衡。物质要想落入中心，它们的角动量就必须被星系尺度的转矩转移出去——这正是棒和旋涡所做的事情。

天文学家已经观测到气体大团大团地落入黑洞之中。波纹可以分两步实现这个加注燃料的过程。首先，随着气体的下落，它会达到一种共振状态，在那里与恒星棒保持一致，从而免受转矩的影响。气体堆积成一个圆环，形成新的恒星；然后，圆环内侧的气体和恒星会形成它们自己的小型棒状波纹。这种迷你恒星棒将气体倾泻到黑洞之中。在我们的银河系中，这种棒状结构已经在近红外巡天中露出了马脚。因此，这些波纹并不只是美丽的装饰，它让我们的星系得以成长。

瓦解星棒

恒星棒不仅在星系盘内部搬运着物质，它还能将物质垂直抬升到星系盘以外。在某些区域，恒星垂直于星系盘面的上下振荡，与它们穿越恒星棒的频率刚好相同（或者成整数倍），从而达到某种共振。这时，恒星棒就能增强这种振荡，就好像父母为孩子推秋千一样。我们在三维计算机模拟中偶然发现了这种现象。在共振区域中，恒星盘的厚度明显增加，将星系的内侧区域变成了方盒或者花生的形状。这些发现解释了观测天文学家早在十年，甚至更久之前，就已经在望远镜中见识过的古怪形状。

讽刺的是，通过将物质拖入星系的核心，棒状结构自身也在走向毁灭。堆积起来的质量驱散了恒星，打乱了它们整齐的公转步调，破坏了恒星棒存在的前提。在只考虑恒星的模拟中看似过于结实的棒状结构，在加进气体成分之后却变得相当脆弱。果真如此的话，天文学家看到的大量有棒星系又该如何解释？在可见光照片中，2/3的星系显示出棒状结构，2002年的近红外巡天观测将这个比例提升到3/4。合乎逻辑的结论就是，棒状结构是在一个连续不断的循环之中形成、瓦解，然后又再度形成的。

解释“棒”的重生是一个挑战。星系必须经过相当程度的演化，才能从恒星棒最初瓦解的状况中恢复过来。特别是恒星的轨道必须经过重新整理，变成一种相对速度较低的规则模式。让星系吸积大量的星系际气体是一种可行的方法。随着气体下落，它们会发生碰撞，损失能量，将自身的轨道调整得更加规则。较高的初始角动量会减缓它们的下落，为棒的重组创造机会。这个过程所需的气体总量非常庞大：为了以正确的频率重新形成恒星棒，一个典型的星系必须在100亿年的时间内，使自身质量增加一倍。天文学家现在知道，星系际空间包含着大量气体贮备，足以胜任这项任务。

回望过去是检验这个模型的一种方法。哈勃太空望远镜的威力，足以洞察早期星系的形状。（光的传播需要时间，因此我们看到的遥远天体实际上还停留在过去。从这个意义上来说，望远镜对遥远星系的观测，也就是对遥远过去的回顾。这为星系和宇宙的演化过程提供了线索。）加拿大不列颠哥伦比亚省维多利亚市赫茨伯格天体物理研究所的西德尼·范德伯格（Sidney van den Bergh）及其同事，在1998年到2002年间首次进行了这样的尝试。他们得出结论：棒状结构在过去出现的频率要比今天低得多。这个结果非常出人意料。它不仅让人们对气体下落模型产生了怀疑，而且动摇了对棒状波整套理论的信心。早期星系拥有更多气体，物质向中心的聚积程度也较低，如果说跟现在有所区别的话，棒状结构也应该更加常见才对。不过美国得克萨斯大学奥斯汀分校的沙哈·乔伊（Shardha Jogee）和他的同事最近将范德伯格的初步结果解释为观测偏差。棒状结构很难从遥远的星系中被辨认出来。对这种效应所做的修正表明，过去的恒星棒跟现在一样普遍，暗示它们的瓦解和重建处于稳定的状态之中。

简而言之，不论是有棒还是无棒，星系的形状似乎都不是与生俱来的，它们会相互转化。如果3/4的星系拥有恒星棒，那么一个典型的星系一定有3/4的时间处于有棒状态。在此期间，恒星棒阻止新鲜的气体进入星系的中心区域。这些气体在外围聚积，并在恒星棒自我瓦解之后倾泻而下，使星系重新恢复活力。

另一种更为人熟知的星系积聚质量的方式是吞食，也就是星系之间的逐次并合。尽管同样非常重要，但这个过程却是破坏性的。较大的并合会抹去星系的盘状结构，代之以椭圆星系。目前只有少数星系经历过如此彻底的改造。相反，从星系际空间舒缓地吸积气体的过程，在使星系增长的同时，还能维持它们的形状。波纹分配着新鲜物质，使星系不至于缓慢地分散开来，它们维持着宇宙的多姿多彩。