旋渦星系通常有2-4條旋臂，有2條主旋臂且好像經(jīng)過宏觀精心設(shè)計(jì)的（grand design，如M51等），也有多條旋臂且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的（如NGC 1232）。

旋渦星系M51（左）和NGC1232（右） | 圖源：HST/ESO

〇 密度波理論：巧解旋臂的形成

從1845年，英國天文學(xué)家威廉?帕森斯（羅森伯爵Ⅲ）第一次發(fā)現(xiàn)M51的旋渦圖樣開始，天文學(xué)家便被這種奇特的旋臂結(jié)構(gòu)所吸引。后來，天文學(xué)家基于大量的觀測(cè)得知我們的銀河系也是一個(gè)旋渦星系。那么這種結(jié)構(gòu)是如何產(chǎn)生的呢？

1942年由瑞典天文學(xué)家貝蒂爾·林德布拉德（Bertil Lindblad）提出，后經(jīng)華裔天文學(xué)家林家翹和徐遐生等人不斷完善的密度波理論成為迄今最受歡迎的星系旋渦結(jié)構(gòu)形成理論。密度波理論認(rèn)為旋臂并非物理意義上的物質(zhì)“存在”，而是恒星穿越時(shí)的“交通擁堵”造成的：恒星或分子云圍繞銀河系中心并非做完美的圓周運(yùn)動(dòng)，而是類似太陽系中彗星一樣的橢圓運(yùn)動(dòng)。恒星或分子云運(yùn)動(dòng)到橢圓軌道的較遠(yuǎn)端時(shí)會(huì)減速到最慢，而當(dāng)有大批的恒星運(yùn)動(dòng)到這個(gè)拐點(diǎn)時(shí)，就出現(xiàn)了“擁堵”。密度擾動(dòng)的傳播速度不同于其中天體的運(yùn)動(dòng)速度，從而形成密度波。

由于密度波中物質(zhì)引力的存在，恒星或分子云在接近密度波時(shí)會(huì)加速，而當(dāng)離開時(shí)會(huì)減速，從而使他們?cè)诿芏炔ǜ浇毫舻臅r(shí)間相對(duì)較長，在整個(gè)星系的尺度上就會(huì)像正在上緊的發(fā)條，形成明顯的旋臂結(jié)構(gòu)。

恒星或分子云會(huì)繼續(xù)沿著自己的軌道運(yùn)行，隨著銀河系的自轉(zhuǎn)穿越旋臂。因此，旋臂中的恒星或分子云并非一成不變，而是由不斷穿越時(shí)駐足的不同恒星或分子云組成。

同時(shí)，分子云在穿越密度波時(shí)密度會(huì)增加，更容易發(fā)生坍縮，形成恒星；密度波掃過分子云時(shí)，會(huì)發(fā)生云云碰撞，形成沖擊波，并加速分子云坍縮，形成恒星。

密度波理論的提出，使得人們不需要進(jìn)行復(fù)雜的N體模擬就可以很好地理解旋渦星系的旋臂結(jié)構(gòu)，巧妙地解釋了星系旋臂結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制。

〇 密度波又是怎么產(chǎn)生的呢？

星系本身的不對(duì)稱、伴星系的擾動(dòng)和碰撞、暗物質(zhì)暈和星系盤等都有可能對(duì)旋臂的產(chǎn)生和發(fā)展有一定影響，只是具體的影響如何還在研究之中。密度波一經(jīng)形成，就可以在星系強(qiáng)大的自引力作用下放大和生長。

最近一項(xiàng)基于Gaia衛(wèi)星對(duì)銀河系10億多顆恒星的距離和自行觀測(cè)數(shù)據(jù)的研究就表明：銀河系曾在80億-110億年前與一個(gè)巨大的伴星系發(fā)生過碰撞，這是銀河系旋臂結(jié)構(gòu)形成前迄今已知的最后一次大碰撞。而現(xiàn)在銀河系的旋臂結(jié)構(gòu)可能就是那次碰撞留下的“漣漪”。

〇 銀河系到底有幾條旋臂？

一個(gè)讓老百姓聽起來也許覺得“可笑”的事實(shí)是，天文學(xué)家們一直為我們的銀河系到底有幾條旋臂爭(zhēng)論不休。更“可笑”的是，爭(zhēng)論的焦點(diǎn)不是百條、千條，而是區(qū)區(qū)的2條還是4條？難道全世界這么多聰明的天文學(xué)家，連一只手就能解決的數(shù)數(shù)都搞不定嗎？

這對(duì)身處銀河系旋臂中的我們還的確是個(gè)難題。天文學(xué)家努力嘗試根據(jù)不同波段和手段獲得的信息，而這其中，恒星、星云和正在形成恒星的分子云等的距離的精確測(cè)定是關(guān)鍵的關(guān)鍵。

廣域紅外巡天探測(cè)衛(wèi)星（WISE）全天巡天的結(jié)果支持銀河系是一個(gè)有4條旋臂的棒旋星系。其中從星系棒（Galactic Bar）的兩端長出并纏繞著核球的兩條旋臂——英仙臂（Perseus Arm）和盾牌-半人馬臂（Scutum-Centaurus Arm）較為顯著，而相比之下，人馬臂（Sagittarius Arm）和矩尺-外臂（Norma-Outer Arm）中雖有大致相當(dāng)?shù)姆肿託怏w成分，但恒星數(shù)明顯少于前兩條旋臂。

WISE紅外衛(wèi)星的結(jié)果表明銀河系是一個(gè)有4條旋臂的棒旋星系

 | 圖源：NASA/JPL-Caltech/ESO/R. Hurt (SSC-CALTECH)

2009年中、美、德等國天文學(xué)家共同提出了一個(gè)雄心勃勃的“貝塞爾計(jì)劃”（The Bar and Spiral Structure Legacy (BeSSeL) Survey）。沒錯(cuò)，這是一個(gè)致敬先驅(qū)的計(jì)劃，也是迄今為止國際上最大的精確測(cè)量銀河系結(jié)構(gòu)計(jì)劃，需要安排5000小時(shí)的VLBA的觀測(cè)時(shí)間。

貝塞爾計(jì)劃 | 圖源：http://bessel./

十年間，他們精確測(cè)量了幾百個(gè)脈澤的視差和自行，確定了銀河系多條旋臂的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì)，并由此限定了銀河系的基本參數(shù)及旋轉(zhuǎn)曲線。

〇 本地臂：主旋臂還是刺？

太陽處在英仙臂和人馬臂之間一些年輕恒星構(gòu)成的物質(zhì)團(tuán)的最內(nèi)側(cè)，因?yàn)檫@些物質(zhì)與獵戶星座臨近，常被稱為獵戶臂、獵戶刺（Orion spur）或者本地臂（Local arm）。長期以來，天文界一直認(rèn)為本地臂是銀河系主旋臂上延伸出來的一段微小的次級(jí)結(jié)構(gòu)。經(jīng)典的密度波理論認(rèn)為，銀河系可能有4條主旋臂，本地臂所在區(qū)域是不可能存在主旋臂的。

 左：Georgelin & Georgelin（1976）模型被廣泛引用，奉為銀河系結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)模型，在太陽附近只有零星物質(zhì)存在（藍(lán)色橢圓）；右:太陽附近大量的物質(zhì)組成了一條新旋臂-本地臂（黃色圓?。t色橢圓內(nèi)的虛線為連接本地臂和人馬臂的次結(jié)構(gòu)。| 圖源：A&A / Science Advance /紫金山天文臺(tái)

BeSSeL團(tuán)隊(duì)根據(jù)脈澤視差測(cè)量的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在太陽附近脈澤的分布有點(diǎn)出人意料，它清楚地勾畫出了一條長度超過25000光年，寬約3000光年，類似其它銀河系主旋臂的結(jié)構(gòu)，它位于英仙臂和人馬臂之間，太陽就處于它的內(nèi)側(cè)——這就是銀河系本地臂！本地臂上分布了豐富的大質(zhì)量恒星形成區(qū)，數(shù)目遠(yuǎn)比人們以前認(rèn)為的要多。同時(shí)，他們還發(fā)現(xiàn)了一條長約12000光年，像“鵲橋”一樣連接了本地臂和人馬臂的銀河系內(nèi)最長的次結(jié)構(gòu)。

這是自1952年美國天文學(xué)家Morgan首次測(cè)量太陽附近銀河系旋臂結(jié)構(gòu)后，近70年來銀河系旋臂結(jié)構(gòu)研究取得的重大進(jìn)展。它否定了國際天文界長期認(rèn)為本地臂是主旋臂上一個(gè)微小的次級(jí)結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)，揭示了銀河系可能不是類似M51那樣單純由宏偉的、規(guī)則的螺旋形主旋臂所組成的旋渦星系，而是類似NGC1232那樣在主旋臂間有著次結(jié)構(gòu)的復(fù)雜的旋渦星系，標(biāo)志著精確測(cè)量銀河系旋臂結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。

該研究成果2016年9月被《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）作為亮點(diǎn)工作發(fā)表，被《科學(xué)》雜志評(píng)價(jià)為“以前所未有的細(xì)節(jié)”描繪了銀河系內(nèi)離我們最近的旋臂的結(jié)構(gòu)。

到目前為止，BeSSeL項(xiàng)目已經(jīng)精確測(cè)量200多個(gè)脈澤的距離和運(yùn)動(dòng)速度。其中最遠(yuǎn)一顆脈澤的距離為66000光年，穿過銀河系中心直到銀河系的對(duì)面區(qū)域。研究結(jié)果顯示，銀河系有5條物質(zhì)格外稠密的旋臂，從銀心向外依次是盾牌臂、人馬臂、本地臂、英仙臂和外臂。我們的太陽系到銀心的距離為27000光年，它以每秒240公里的速度繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)，大約2億5千萬年轉(zhuǎn)一圈。

根據(jù)迄今所有大質(zhì)量恒星形成區(qū)三角視差測(cè)量結(jié)果（圓點(diǎn)）更新的銀河系旋臂結(jié)構(gòu)平面示意圖。不同顏色的螺旋線代表不同的旋臂（實(shí)現(xiàn)表示中心，點(diǎn)線表示寬度）：3千秒差距臂、矩尺-外臂、盾牌-半人馬臂、人馬-船底臂、本地臂、英仙臂。⊙表示太陽的位置。| 圖源：http://bessel.

從簡單到復(fù)雜，在精確測(cè)量銀河系結(jié)構(gòu)的路上，天文學(xué)家通過從整體結(jié)構(gòu)到細(xì)節(jié)的研究，一步步豐富人類對(duì)自己家園的認(rèn)識(shí)。我們完全有理由相信，隨著觀測(cè)技術(shù)和研究方法的不斷進(jìn)步，我們對(duì)銀河系結(jié)構(gòu)的認(rèn)知將不斷被更新，人類終將用智慧和勤奮描繪出銀河系結(jié)構(gòu)的“廬山真面目”。

[1] Xu Y.; et al., 2006, Science 311, 54 “The Distance to the Perseus Spiral Arm in the Milky Way”

[2] Xu Y., et al., 2013, ApJ 769, 15 “On the Nature of the Local Spiral Arm of the Milky Way”

[3] Xu Y.; et al. 2016, Science Advances 2, 9 The local spiral structure of the Milky Way

[4] Reid M.J., et al. 2019, arXiv:1910.03357 “Trigonometric Parallaxes Of High-Mass Star Forming Regions: Our View Of The Milky Way”