《談天說文》揮動彩帶的銀河
彩帶舞是中國古老的傳統舞藝，舞者雙手拎著兩條彩帶（如圖一），隨著四肢與身體的轉動，使得彩帶凌空亂舞，尤其是身體像陀螺般自轉的時候，兩條彩帶就像螺旋般隨之轉動，非常好看。而我們的銀河系也像是全能的彩帶舞者（如圖二），帶動著許多條旋臂彩帶，非常壯觀，這樣的螺旋圖案也出現在畫作中。《星夜》是荷蘭著名畫家梵谷在1889年所創作的油畫（如圖三），他使用許多旋轉的線條勾勒出夜空的各個元素。在整個夜空中，有新月、有大小不一的星星，正中間有旋轉糾纏在一起的星雲，用這種方式表現出星雲的外觀是不尋常的，因為人的肉眼是很難在夜空看到這種形狀的星雲。肉眼能看到的星雲頂多是一團模糊的雲氣，除非透過望遠鏡，才有可能分辨出星雲的模樣。梵谷不是天文學家，以他如此感性的一面，很難和科學家連在一起，但梵谷也有可能從天文學家那裡得到靈感，畫出如螺旋般的星雲。1845年，英國天文學家巴森茲（也就是後來的羅斯爵士）用他製造的反射望遠鏡觀測M51星雲，並手繪M51的壯觀模樣，其模樣就很類似梵谷《星夜》裡頭的螺旋狀星雲。
美國天文學家哈柏發現螺旋星雲離我們很遠，應該是類似銀河的星系，而螺旋星系只是眾多星系的處一種，哈柏根據觀測的星系外觀作了一套哈柏星系分類（如圖四），他把星系分成三大類，分別是螺旋星系、棒旋星系和橢圓星系，其他沒有規則形狀的星系則歸類成不規則星系。螺旋星系的外觀有明顯的螺旋臂，中間有一圓球狀的核球，依照核球大小和螺旋臂纏繞的鬆緊程度又細分出Sa、Sb和Sc。棒旋星系除了螺旋臂和核球外，中間則多了一個棒形構造，同樣依照螺旋臂纏繞程度細分出SBa、SBb和SBc。橢圓星系是系如其名，看起來就像個橢圓體，從E0分到E7，數字多寡代表扁平的程度。
http://www.merit-times.com/Upfiles/newsphoto/97/11/21/13001.gif
在這些星系當中，就屬螺旋星系最為好看，整個螺旋星系看起來像是跳著彩帶舞的舞者，手中的彩帶在舞者的揮舞下，呈現出兩條螺旋狀的結構，好看歸好看，但要能說出個名堂，可就沒那麼容易。讓我們仔細想想整個過程，假設螺旋臂原先是以輻射狀的直線分佈，從中心向外展開，接下來就像舞動的彩帶，開始旋轉起來。螺旋星系裡頭的星星是以近乎圓形的跑道軌跡，繞著星系中心旋轉，靠近中心的星星繞行一圈的距離較短，很快就完成一圈的運轉，離星系中心較遠的星星，需要花較多的時間才能運轉一圈，結果造成原先輻射狀分佈的直線，隨著每顆星星的起跑，慢慢地繞成一條彩帶螺旋臂，很類似實際看到螺旋星系的模樣。
但是問題出現了，根據實際星星運轉的速度，經過五千萬年的時間，螺旋臂可以像Sc星系一樣，經過一億年後，螺旋臂纏繞更緊，變得像是Sa星系，但經過五億年，螺旋臂變得像是一塊大理石蛋糕的斷面秀（如圖五），顯然這種纏繞的方式並不是螺旋臂形成的主要原因。天文學家很早就認知到這樣的困境，一直到1960年代，解決螺旋臂形成的理論都是和星系本身的磁場有關，不過在1927年，瑞典天文學家林達博首先提出螺旋臂的產生與萬有引力有關，他認為星系盤上星星的軌道和萬有引力之間的交互作用是會造成螺旋結構，但林達博並未提出適當的方法可作為定量的分析，而這部分是由華裔數學家林家翹院士和天文學家徐遐生院士的密度波理論走出關鍵的下一步。
林—徐的密度波理論就是說明星系盤面上可以出現某些區域的星星比較密集，或者說是密度比較高的區域（如圖六），這些密度較高的區域就是我們所看到的螺旋臂，密度波理論從星系盤面的萬有引力下手，有效的計算出密度波是如何產生。螺旋臂其實像是星系盤上的一種波動，就像水波一樣。密度波是星系盤面上密度比較高、萬有引力比較強的波動。由於林—徐的密度波理論可以提供各種定量的預測，可以和觀測做比較，為天文學家在螺旋星系動力學的研究開展了一扇大門。
頁:
[1]