问伊森：为什么螺旋星系如此松散地扭曲？

想一想夜空中最大的物体，即您所看到的图像。是的，当然，它们是完全不同的-垂死的恒星，超新星残余，形成的星云恒星和新旧的星团-但没有什么能比得上旋涡星系的美。这些“岛屿宇宙”包含数十亿至数万亿颗恒星，展现出独特的结构。如果您考虑一下，它的结构是相当神秘的-正如读者Greg Rogers认为的那样：

让螺旋星系一直感到惊讶的是，它们缠绕在它们周围的袖子不超过银河系的一半。由于外部绕核旋转的速度较慢，因此人们希望找到星系，其臂绕核缠绕很多次。宇宙的年龄还不够大，以至于没有足够多的漩涡星系出现吗？

考虑您喜欢的任何螺旋星系，但它们都具有相似的可见结构。















几个螺旋臂从中心核心向外延伸（通常是两个到四个），随着它们离开中心而缠绕在银河周围。与预期相矛盾的是，1970年代的一项奇妙发现是，随着恒星离开原子核，其绕银河系旋转的速度不会降低-就像太阳系中的行星沿轨道运行一样他们离中心越远，速度越慢。恒星的旋转速度保持恒定-这是说星系旋转曲线具有平坦轮廓的另一种说法。



我们通过研究位于边缘的银河系，并计算恒星相对于距银河系中心的距离所显示的红移或蓝移来测量这一点。而且尽管个别恒星的速度几乎没有变化，但离中心较远两倍的恒星绕其旋转的速度慢了两倍，而离中心较远的速度却旋转了十倍-慢了十倍。

有了这一点，我们可以计算出，对于像我们的银河系这样的星系，太阳需要2.2亿年的时间才能完成绕星系的一圈旋转。由于我们距离银河系中心约26,000光年，因此我们的位置距离中心到郊区只有一半的距离。这意味着，由于我们的银河系大约有120亿年的历史，因此外星只需要完成25次完整的旋转。恒星就像太阳一样旋转了54圈。半径为10,000光年的圆内的恒星已经完成了100多次旋转。换句话说，我们可以预期星系会随着时间旋转，如下面的视频所示。



但是，正如星系照片所显示的那样，它们旋转的次数并不多。在大多数情况下，袖子甚至不会包住银河系！首次发现星系的这种特性时，至少意味着以下含义：这些螺旋臂是无形的，这仅仅是一种外观。无论银河系是否孤立，都是如此。但是，如果您仔细观察的话，还有其他事情。



袖子上有明显的粉红色斑点吗？它们出现在有新恒星形成活动区域的地方。粉色点是在非常特定的波长：656.3 nm处发出的光的过量。当新的恒星燃烧得足够明亮以使气体电离，然后电子与质子重新结合时，就会发生这种辐射。新形成的氢原子以一定频率发射光，包括使这些区域变粉红色的频率。

这告诉我们，这些螺旋臂由物质密度高于银河其他部分的区域组成，恒星随时间自由进入和离开这些臂。

自1964年以来就存在解释这种现象的想法，并且被称为密度波理论。该理论指出，随着时间的流逝，袖子会留在同一位置，就像交通拥堵在同一地方一样。单个物体（星系中的星星，道路上的汽车）可以通过它们移动，但是在任何时候，始终有大约相同数量的物体一直在行驶。因此，致密区域的位置保持不变。



这个过程的物理过程很简单：某些区域的恒星会产生我们惯用的重力，正是这些恒星保持了螺旋形状。换句话说，如果我们从气体密度增加的区域开始，让磁盘旋转，我们将获得初次形成恒星的初始区域集：原始套筒。随着星系的演化，这些臂以及密度增加的区域仅由于重力作用而得以保留。

出乎意料的是，这种效应在存在以巨大光晕形式存在的银河系周围存在暗物质的情况下以及在其不存在的情况下同样有效。


左边-没有暗物质的星系，右边-暗物质

而且尽管格雷格的问题的假设是不正确的，但由于银河系的外层恒星与内层恒星的运动速度相同，所以无论银河系的年龄如何，它们的臂永远不会真正包裹住，这仅仅是因为银河系本身的物理性质。就像交通拥堵一样，在任何给定时间滞留在螺旋臂中的恒星，气体和尘埃都处于较稠密的环境中，当它们从那里爆发时，它们与其他恒星的距离会增加-今天的太阳处于这个位置。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN400801/