银河系为什么会出现螺旋形状

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我们身处银河系。但是银河系，为什么是螺旋状的呢？科学家如何肯定是螺旋状的，银河系周围有星云我们无法看见银河系的真正面貌，那么科学家为什么还确定是螺旋状？
银河系为什么会出现螺旋形状，其实有很多解释。一个很常见的解释是密度波模型。
这里可以用定性的语言来解释一下。我们可以做一个实验，用手捻住床单，一直向一个方向拧，最后一定会发现，床单形成了很多的褶皱。这是因为，初期时候偶然形成的凹凸，会在外力之下放大，进而变得稳定、不可逆，形成了可见的褶皱。这种偶然扰动发展成大尺度、非对称结构的现象，就是「对称性自发破缺」。

我们知道，一个各项同性的圆盘，是高度对称的，然而若是形成了几条旋臂，对称性就大大降低了。而「波」正是在某一时刻形成非对称结构的常见形式。一个很简单的例子——如果我有一个环形的绳子，静止的时候，它具有高度的对称性，无论多小的旋转，它依然与之前相同。同时，它的物理性质：密度、弹性系数，都处处相同。然而一旦它开始出现波动，问题就不一样了——它的对称性急剧下降，只有我们在看它的时间平均的时候，才能显示出其原有的对称性。
要注意到，这个绳子处处的物理性质、物理规律，都是一样的，差别只在初期的扰动。然而波动方程一般都只考虑一阶的线性项，问题比较简单，比如初期的微小扰动其实是会一直保持很小的震动，而不会渐渐放大。但引力系统是高度非线性的，比如大家常常听说的「三体问题」，就是一个非线性系统。而这么大量的气体、天体云，靠引力吸引在一起。首先，自发性的对称性破缺不可避免，所以会形成旋臂结构。其次，旋臂结构之所以看起来很稳定，与引力系统自身的特性有关。而且如果用密度波解释的话，我个人认为，需要用到高阶的非线性部分来处理，否则不会出现现在这样的结构。

银河系是巨型Sb型旋涡星系，共有四条旋臂。现在普遍被接受的理论是1942年瑞典天文学家林得布拉德提出的密度波理论，与上世纪60年代初林家翘等发展并完善密度波理论。密度波理论认为，星系的螺旋结构是一种波动图案。恒星绕星系中心运动，速度和空间密度会发生变化。运动慢的恒星密集在一起，因此导致空间密度波动变化，绕中心旋转且沿半径方向传播，使得密度极大的波峰呈旋涡状分布形成旋臂。星系的恒星密集在星系的旋臂上，产生的引力很强。
因恒星绕星系中心做近圆轨道运动，在此过程中，恒星会进入旋臂，然后再离开。在恒星进入旋臂后，旋臂区的恒星密度增大，产生的引力场更强，因此速度会减慢。于此同时更多的恒星进入，导致旋臂区恒星的密度越来越大，引力场也越来越强。因此这种结构能够维持下去。该理论也成功解释了为什么星系没有在自转时因内部角速度比外部角速度大而导致旋臂越来越紧，最终完全缠绕在一起。

以上可以解释银河系为什么是螺旋状的。因为银河系的四条旋臂聚集了大量的恒星，产生强引力场，旋臂外的恒星进入旋臂后，速度变慢。可以想象从空中让一铁球做自由落体运动，进入到沙地上后速度会因沙子的摩擦等变慢，最终停止。这种“进多出少”的情况导致恒星堆积，旋臂更加明亮，而其他区域相对较暗，所以看起来是螺旋状的。
ps ：易五原创作品！（图片来源网络）

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