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宇宙中諸多星系的雄偉壯麗,就在于其中大部分星系都有一個美麗的螺旋外形。螺旋外形不僅在太空中普遍存在,在地球上的很多動物和植物上也能看見。比如鸚鵡螺,其外殼上的螺旋外形正好是一個“對數螺旋”。有人寫了很厚的一本書,專門講地球上自然界的各種螺旋形圖案,并說“螺旋形狀基本上都與生命和生長有關”。所以我們很自然地想到,螺旋星系的螺旋形是不是也跟其生命和生長有關。

星系呈現螺旋形幾乎是不可避免的。因為星系的星盤中,所有恒星都繞著星系的中心旋轉運行,而靠內的恒星旋轉的速度比靠外的恒星的速度快(就像在操場上跑圈,處于內跑道的,一圈距離短,所以速度快),星盤就必然會呈現螺旋形。所以星系呈現螺旋形,只是其中的恒星繞星系中心進行“較差旋轉”的自然結果。

美麗的銀河系是一個典型的“螺旋星系”

但是1950年代,瑞典天文學家林德布拉德提出了一個疑問,就是螺旋結構是一定會越旋越緊的,應該很快就會全部擠到銀河系的中間,旋死、旋成一坨。那為什么我們看到的螺旋星系一直維持著不太緊的螺旋形,而沒有越旋越緊呢?林德布拉德認為,我們沒看到旋臂越旋越緊,只有一種可能,就是星系中的所有恒星的壽命都很短(evanescent),還沒等旋臂越旋越緊,旋臂中的恒星就都消亡了。然而這種可能顯然又不符合我們的認知,因為說所有恒星的壽命都很短,顯然不是事實。天文學家們不但必須解釋為什么會出現旋臂,還必須解釋為什么旋臂能長期保持其形狀不變(而不是越旋越緊旋死)。

像“螺旋星系的旋臂為什么沒有越旋越緊旋死”等關于星系結構的問題,后來被證實非常難回答和處理(intractable)。在1950年代到1960年代,曾經有科學家這樣解釋:星系的幾根旋轉的手臂是大量離子化氣體被星際間磁場的磁力吸住,困在一個管狀空間的,外觀看起來就像一根手臂。但后來有科學家對星際間磁場的磁力進行了準確計算,發現磁力太弱,不足以吸住氣體。所以這個解釋就被證明是錯誤的。

1960年代中期,兩位華裔科學家(林家翹和徐遐生)以林德布拉德的研究為基礎,提出了一個“引力密度波”(Density Wave)理論假說。他們提出,星系的旋臂根本不是實體,而只是一些恒星和其他經過一個引力壓縮空間而呈現的一種視覺效果(圖案)。為了幫助人們理解這個理論,科學家們經常用公路上小汽車堵車的情景來打比方。如果我們從高處往下看堵車,看到堵車的區域總是很擁擠,而其實擁堵區域的車并不是同一批。后面不斷有汽車進入堵車區域,前面不斷有汽車離開堵車區域。旋臂區域也是如此,后面不斷有恒星進入旋臂這個擁擠的壓縮空間,前面不斷有恒星離開。我們始終能看到一個擁堵的區域,這種擁堵可以一直維持不變,這就是我們看到的旋臂。這樣就是為什么我們看到的旋臂為什么沒有越旋越緊。

堵車區域看起來一直維持不變,堵在里面的車卻不是同一批車

“引力密度波”區域把路過的恒星、氣體和星塵都吸進去,有些星塵會在“引力密度波”區域變成明亮的、新誕生的恒星,這就使得“引力密度區”發出明亮的光芒,這就是我們為什么能看到明亮的旋臂。用另一個比喻,旋臂就像是黑暗的屋子里一塊生日蛋糕上點亮的幾支蠟燭形成的一個亮區。

兩位華裔科學家提出預測,認為旋臂可以保持長期不變,一些基本特征(如一個星系的旋臂數量)幾乎可以一直堅持到星系消亡才改變。他們認為,引力密度波區域是恒定的,有恒定的波峰和波谷。

“引力密度波”理論是解釋力不錯、有希望成立(promising)的一個理論假說,但是兩位科學家沒有回答一個問題,“引力密度波”最開始是怎樣產生的?而是對此態度含糊,好像是想把這個問題留待其他科學家以后去回答。

太空中的堵車

仔細思考星系的美麗旋臂這件神奇的事,會讓人聯想到古希臘數學家畢達哥拉斯發現八度音階(振動發音的弦的長度和音符的關系)。撥一根弦的不同位置, 發出不同的音。演奏級撥動弦,就會使得樂器周圍的空氣產生聲波。

如果我們把銀河系想象成一把大型的弦樂器,銀河系的星盤就像是琴弦,“引力波”就像是有人在撥琴弦產生的聲波。那么,是哪位樂師是在把銀河系當琴一樣撥弄呢?

銀河系中部有一個扁條形區域(bar),外形看起來就像草地上的自動噴灌器,不停地像噴水一樣向旋臂噴射恒星。不過這個比喻不恰當,因為旋臂是向內旋的,應該說是不停地有恒星像水一樣倒著往自動噴灌器里噴。有人認為,把銀河系的星盤當琴一樣撥動,使引力密度波產生的,就是這個銀河系中部的扁條。

也有人認為,扁條在引力密度波形成中起主要作用的可能性很小。最近,天文學家們又認識到,其他一些小星系和銀河系的互相拉扯、互動(有時是直接碰撞),才是導致銀河系內產生引力密度波的原因。

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