互动科普

旋涡星系的特征不用说就是旋涡状的旋臂了。那么，旋涡状的旋臂到底是什么？星系的旋臂中不仅有恒星，还有丰富的制造恒星的原料—氢气体和星际物质，是新恒星形成的活跃区域。这些恒星、气体以星系核球为中心旋转，形成旋臂。

实际上，旋臂是如何形成的这个问题，让天文学家在很长的一段时间中大伤脑筋。这个谜和星系的旋转速度有关。

根据天文观测，不论是哪种旋涡星系，恒星、气体的旋转速度几乎是一定的，和它们离开星系核球的距离无关。如果是这样，那么，旋臂外圈旋转1周的时间里，内侧就快要旋转2周了。

图：旋涡星系拥有优美旋臂

如果这样，那么旋涡星系的旋臂就会越旋越紧。但是，旋臂舒展的星系比比皆是。为什么会这样呢？

20世纪60年代后期，提出了解决这个矛盾的理论。根据所谓的“密度波理论”，星系旋臂的明亮发光部分是恒星、气体的“堵车路段”。

看看汽车堵车的情况。堵车的路段长度不变，但是随着时间的变化里面的车辆也会变化。前面的车辆不断离开堵车路段，后面的车辆又不断加入。构成旋臂的恒星也同样如此。也就是说，恒星的速度（相当于车速）和旋臂的速度（堵车路段的移动速度）是不同的。根据这个原理，旋臂是不会越旋越紧的。

旋涡星系中，不仅有拥有漂亮旋臂的“宏象旋涡星系”（grand design spiral galaxy），还有旋臂不甚明显的“絮状旋涡星系”（flocculent spiral galaxy）。根据最近的研究，用“密度波理论”能够说明的只有宏象旋涡星系。絮状旋涡星系的形状，还需要用别的理论来说明。

（本文发表于《科学世界》2015年第5期）