银河系的旋臂为什么没有越旋越紧?-SAT阅读自然科学类背景知识

TD SAT教研组一直以来 持续为大家带来SAT干货 ，今日我们继续为大家带来 一篇 自然科学干货文 ，能为大家增加有趣又有用的背景知识~ 宇宙中诸多星系的雄伟壮丽，就在于其中大部分星系都有一个美丽的螺旋外形。螺旋外形不仅在太空中普遍存在，在地球上的很多动物和植物上也能看见。比如鹦鹉螺，其外壳上的螺旋外形正好是一个“对数螺旋”。有人写了很厚的一本书，专门讲地球上自然界的各种螺旋形图案，并说“螺旋形状基本上都与生命和生长有关”。所以我们很自然地想到，螺旋星系的螺旋形是不是也跟其生命和生长有关。 星系呈现螺旋形几乎是不可避免的。因为星系的星盘中，所有恒星都绕着星系的中心旋转运行，而靠内的恒星旋转的速度比靠外的恒星的速度快（就像在操场上跑圈，处于内跑道的，一圈距离短，所以速度快），星盘就必然会呈现螺旋形。所以星系呈现螺旋形，只是其中的恒星绕星系中心进行“较差旋转”的自然结果。 但是1950年代，瑞典天文学家林德布拉德提出了一个疑问，就是螺旋结构是一定会越旋越紧的，应该很快就会全部挤到银河系的中间，旋死、旋成一坨。那为什么我们看到的螺旋星系一直维持着不太紧的螺旋形，而没有越旋越紧呢？林德布拉德认为，我们没看到旋臂越旋越紧，只有一种可能，就是星系中的所有恒星的寿命都很短（evanescent），还没等旋臂越旋越紧，旋臂中的恒星就都消亡了。然而这种可能显然又不符合我们的认知，因为说所有恒星的寿命都很短，显然不是事实。天文学家们不但必须解释为什么会出现旋臂，还必须解释为什么旋臂能长期保持其形状不变（而不是越旋越紧旋死）。 像“螺旋星系的旋臂为什么没有越旋越紧旋死”等关于星系结构的问题，后来被证实非常难回答和处理（intractable）。在1950年代到1960年代，曾经有科学家这样解释：星系的几根旋转的手臂是大量离子化气体被星际间磁场的磁力吸住，困在一个管状空间的，外观看起来就像一根手臂。但后来有科学家对星际间磁场的磁力进行了准确计算，发现磁力太弱，不足以吸住气体。所以这个解释就被证明是错误的。 1960年代中期，两位华裔科学家（林家翘和徐遐生）以林德布拉德的研究为基础，提出了一个“引力密度波”（Density Wave）理论假说。他们提出，星系的旋臂根本不是实体，而只是一些恒星和其他经过一个引力压缩空间而呈现的一种视觉效果（图案）。为了帮助人们理解这个理论，科学家们经常用公路上小汽车堵车的情景来打比方。如果我们从高处往下看堵车，看到堵车的区域总是很拥挤，而其实拥堵区域的车并不是同一批。后面不断有汽车进入堵车区域，前面不断有汽车离开堵车区域。旋臂区域也是如此，后面不断有恒星进入旋臂这个拥挤的压缩空间，前面不断有恒星离开。我们始终能看到一个拥堵的区域，这种拥堵可以一直维持不变，这就是我们看到的旋臂。这样就是为什么我们看到的旋臂为什么没有越旋越紧。 “引力密度波”区域把路过的恒星、气体和星尘都吸进去，有些星尘会在“引力密度波”区域变成明亮的、新诞生的恒星，这就使得“引力密度区”发出明亮的光芒，这就是我们为什么能看到明亮的旋臂。用另一个比喻，旋臂就像是黑暗的屋子里一块生日蛋糕上点亮的几支蜡烛形成的一个亮区。 两位华裔科学家提出预测，认为旋臂可以保持长期不变，一些基本特征（如一个星系的旋臂数量）几乎可以一直坚持到星系消亡才改变。他们认为，引力密度波区域是恒定的，有恒定的波峰和波谷。 “引力密度波”理论是解释力不错、有希望成立（promising）的一个理论假说，但是两位科学家没有回答一个问题，“引力密度波”最开始是怎样产生的？而是对此态度含糊，好像是想把这个问题留待其他科学家以后去回答。 仔细思考星系的美丽旋臂这件神奇的事，会让人联想到古希腊数学家毕达哥拉斯发现八度音阶（振动发音的弦的长度和音符的关系）。拨一根弦的不同位置， 发出不同的音。演奏级拨动弦，就会使得乐器周围的空气产生声波。 如果我们把银河系想象成一把大型的弦乐器，银河系的星盘就像是琴弦，“引力波”就像是有人在拨琴弦产生的声波。那么，是哪位乐师是在把银河系当琴一样拨弄呢？ 银河系中部有一个扁条形区域（bar），外形看起来就像草地上的自动喷灌器，不停地像喷水一样向旋臂喷射恒星。不过这个比喻不恰当，因为旋臂是向内旋的，应该说是不停地有恒星像水一样倒着往自动喷灌器里喷。有人认为，把银河系的星盘当琴一样拨动，使引力密度波产生的，就是这个银河系中部的扁条。 也有人认为，扁条在引力密度波形成中起主要作用的可能性很小。最近，天文学家们又认识到，其他一些小星系和银河系的互相拉扯、互动（有时是直接碰撞），才是导致银河系内产生引力密度波的原因。

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