25.2: 螺旋结构

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学习目标

在本节结束时，您将能够：

描述银河系的结构以及天文学家是如何发现它的
比较圆盘星系中螺旋臂形成的理论模型

在发现了来自冷氢气的21厘米线之后，天文学家在绘制银河系螺旋结构方面取得了巨大进展（参见《星际之间：太空中的气体和尘埃》）。请记住，星际尘埃的模糊效果使我们无法在圆盘中以可见波长远看到恒星。但是，波长为21厘米的无线电波直接穿过尘埃，使天文学家能够探测整个银河系中的氢原子。最近对圆盘中恒星红外发射的调查为我们银河系的恒星分布提供了类似的无尘视角。尽管在过去的五十年中取得了所有这些进展，但我们仍刚刚开始确定银河系的精确结构。

银河系的怀抱

我们对圆盘气态成分的无线电观测表明，银河有两个主要的螺旋臂从杆上冒出来，还有几个微弱的手臂和较短的马刺。你可以在图中看到最近绘制的银河系手臂结构地图，该地图来自红外线的研究\(\PageIndex{1}\)。

alt — 人物\(\PageIndex{1}\)银河系酒吧和手臂。在这里，我们可以看到银河系从上方看的样子。这张图片是根据美国宇航局WISE任务的数据汇编而成的，显示银河系在其中心区域的门槛不大。两只螺旋臂，Scutum-Centaurus 和 Perseus，从杆的末端冒出来，环绕着凸起。射手座和外臂的星星比其他两只手臂少。

太阳靠近名为 Orion Spur 的短臂的内缘，它长约 10,000 光年，包含天鹅座裂谷（夏季银河系中的大暗星云）和明亮的猎户座星云等显眼特征。该图\(\PageIndex{2}\)显示了其他一些与我们共享银河系这一小部分的物体，它们很容易看见。记住，我们尝试从自己的手臂看得越远，银河系中积聚的灰尘就越多，很难在可见光下看见。

alt — 图\(\PageIndex{2}\) Orion Spur。太阳位于猎户座马刺中，猎户座马刺是位于另外两只手臂之间的小型螺旋臂。在这张图中，白线指向其他一些值得注意的物体，这些物体与太阳具有银河系的这一特征。

螺旋结构的形成

在太阳与中心距离的地方，Galaxy 不会像播放器中的实心轮子或 CD 那样旋转。相反，单个物体绕银河系中心转动的方式更像是太阳系。恒星以及气体和尘埃云都服从开普勒的第三定律。与距离中心较近的物体相比，距离中心较远的物体完成环绕银河系的轨道所需的时间更长。换句话说，银河系中较大轨道上的恒星（和星际物质）落后于较小轨道中的恒星（和星际物质）。这种效应称为差分银河旋转。

差速旋转似乎可以解释为什么银河系圆盘中的这么多材料集中在类似于螺旋臂的细长特征中。无论材料的原始分布如何，银河系的差异旋转都可以将其延伸成螺旋特征。该图\(\PageIndex{3}\)显示了由两个不规则星际物质斑点形成的螺旋臂的形成。请注意，随着离银河中心最近的斑点移动得更快，那些距离更远的斑点会落在后面。

alt — 图\(\PageIndex{3}\)：螺旋臂形成的简化模型。这幅草图显示了螺旋臂是如何由不规则的星际物质云形成的，这些物质云是由整个银河系的不同旋转速度延伸出来的。距离银河中心最远的区域需要更长的时间才能完成轨道，因此落后于内部区域。如果这是制造螺旋臂的唯一机制，那么随着时间的推移，螺旋臂将完全结束并消失。由于许多星系都有螺旋臂，因此它们的寿命必须很长，并且必须有其他过程在起作用来维持它们。

但是这张螺旋臂的照片给天文学家带来了直接的问题。如果仅此而已，那么在银河系大约130亿年的历史中，差速旋转会使银河系的手臂越来越紧地缠绕，直到所有的螺旋结构都消失了。但是，银河系在130亿年前形成时真的有螺旋臂吗？螺旋臂一旦形成，能持续那么长时间吗？

随着哈勃太空望远镜的问世，人们有可能观察到非常遥远的星系的结构，并观察它们在130亿年前开始形成后不久的样子。观测结果表明，处于起步阶段的星系有明亮、笨拙的恒星形成区域，但没有规则的螺旋结构。

在接下来的几十亿年中，星系开始 “安定下来”。即将变成螺旋的星系失去了巨大的团块，形成了中心凸起。这些星系中的湍流减少了，旋转开始主导恒星和气体的运动，恒星开始在安静得多的圆盘中形成。较小的恒星形成团块开始形成模糊、不太明显的螺旋臂。明亮、定义明确的螺旋臂只有在星系大约有36亿年的历史时才开始出现。最初，有两只定义明确的手臂。像我们在银河系中看到的那样，星系中的多臂结构只是在宇宙有大约80亿年历史时才出现。

我们将在《星系的演变与分布》中更详细地讨论星系的历史。但是，即使从我们的简短讨论中，你也可以感觉到我们现在在成熟星系中观察到的螺旋结构是在宇宙中事物如何发展的完整故事的后面出现的。

科学家们使用超级计算机计算来模拟武器的形成和演变。这些计算跟踪多达1亿个 “星粒子” 的运动，以查看引力是否会导致它们形成螺旋结构。这些计算表明，巨型分子云（我们在《星际之间：太空中的气体和尘埃》中对此进行了讨论）对周围环境有足够的引力影响，足以启动看起来像螺旋臂的结构的形成。然后，这些武器会自我延续，可以存活至少数十亿年。随着恒星形成的来去去，手臂的亮度可能会随着时间的推移而改变，但它们不是暂时的特征。物质的集中在手臂中会产生足够的引力，使手臂在很长一段时间内保持在一起。

关键概念和摘要

银河盘中的气态分布有两个从中央杆末端冒出的主螺旋臂，还有几个微弱的手臂和短的马刺；太阳位于其中一个马刺中。测量结果表明，银河系不是像固体一样旋转，而是恒星和气体遵循差速旋转，因此离银河中心较近的物质更快地完成轨道。观察表明，像银河系这样的星系在开始形成后需要数十亿年才能形成螺旋结构。

词汇表

差分银河旋转: 银河系的不同部分以不同的速度转动的想法，因为银河系的各个部分遵循开普勒的第三定律：距离更远的物体需要更长的时间才能完成绕银河中心的一个完整轨道

螺旋臂: 一个螺旋形区域，以相对密集的星际物质和年轻的恒星为特征，可以在螺旋星系的圆盘中观察