当前,是什么原因使星际物质在银盘内某些场所密聚而形成恒星?为什么银河系中别处没有恒星诞生?从宇宙空间远处看来,银河系有点像仙女座星云:旋涡结构明显的一个扁盘.别的恒星系统中有的旋涡结构比它要明显很多.遥远恒星系统的图片上旋臂之所以显得突出,是因为其中电离氢受激而发光.但是我们由猎户星云已经知道,氢是被强光度大质量主序星所电离的.所以,旋臂就是年轻恒星所在之处,也就是恒星正在诞生的场所.在银河系中,年轻恒星也正是密密麻麻沿着旋臂分布的.
另一方面,用了射电天文方法人们已经能够把银河系中星际气体的分布探查得非常确切;人们发现,旋臂区的气体密度比银盘其他各处更高.结果是:旋臂是气体密度较高的所在,同时也是年轻恒星集中的所在.问题是:使得星系看起来好像滚动火轮的旋臂结构又从何而来?
对旋臂的了解是长期以来的特殊难题.直到现在人们也还没有把有关的现象完全认识清楚.恒星系统在自转.测量了它们的自转速度,人们了解到它们并不是像刚体那样自转,而是愈往外自转速度愈慢,星系中靠近内心的区域自转一周需时较短.
乍看起来,星系出现旋臂结构似乎不足为怪.就连一杯咖啡加牛奶,搅拌起来也会出旋臂式的花样,这是因为离中心不同距离的液体转速不同.因此人们就会推想,不管一个星系的初始结构怎么样,由于转速不同,转到后来要变成旋臂模样.
卡尔.弗里德里希.冯.魏茨泽克说过,即使当初银河系长得就像一头牛一样,如今也会展现旋臂.若干年前有人在哥廷根对冯.魏茨泽克所提的牛状银河系作了试探性计算,直到不久前还有汉堡任教的阿尔弗雷德.倍尔(AlfredBehr)当时提供了帮助.大多数恒星还没有来得及绕中心转满一圈,牛状星系竟然化为一幅绝美的旋涡星系,可惜多出了一个挂钩.
从随意决定的初始结构到形成旋臂图样,要不了1亿年,但银河系的年龄比这要大百倍.那么初始结构那么多次所形成的旋臂早就该套叠卷紧到惊人的地步,在中心周围缠绕百圈取上的旋臂应该形成了像密纹唱片那样的密纹,但是人们并没有观测到这样的情况.星系的旋臂并非上百层缠绕,所以它们并不可能是初始结构的残余.既然实测到的旋涡星系没有哪一个表现一套极细密的旋臂,我们只好认为旋臂并不是套叠卷紧的.可是组成它们的恒星和气体都参与缠绕自转运动,这个难题又怎样解释呢?
只有一个办法.一定要放弃旋臂似乎总是由同一批物质组成的那种概念,可以设想,恒星和气体横穿旋臂穿越过去.虽然恒星和气体参与星系的自转运动,但旋臂本身只是反映恒星和气体暂时正在穿越过去的一种特殊状态.
在我们的日常生活中就可以举出类似的现象.一股气体火焰也并非总是由同一物质所组成.它只不过是经由它流过的一束气流的一段特定状态,而气流的分子之间在火焰里发生着一种特定的化学反应.那么,旋臂无非就是自转着的星系圆盘中大规模迁移的恒星流与气体流达到某种特定状态的所在.是星系全部物质的引力特性在维持着这种特定状态.
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