密度波理論示意圖 Source： Density wave theory - Infogalactic： the planetary knowledge core

旋臂是正常旋渦星系和棒旋星系的標誌性特徵（星系分類法請看GALAXY COLUMN | 星系的形態分類），但人類在較長的一段時間內對旋臂的形成原理卻知之甚少，直到

半個多世紀前密度波理論的出現

。

在正常旋渦星系和棒旋星系中，旋臂主要是由明亮而年輕的O、B型亮星和H II（一次電離氫）描繪出來的，O、B型恆星沉浸在H II複合體中，使其發出明亮的熒光。

在

赫羅圖

中，O、B型恆星分佈在主序星帶的左上部分，是

質量最大、光度最大、壽命最短

的兩類主序星階段的恆星。

旋臂中之所以有大量的O、B型恆星，與其中稠密的星際物質與塵埃不無關聯。

基於對河外星系的統計，旋臂中恆星與星際物質的密度約為旋臂之間區域密度的10倍。

赫茲普龍-羅素圖，其中O、B型恆星分佈於主序星帶（左上-右下走向的斜對角線）的左上角 Source： http：//cococubed。asu。edu/images/hr_diagrams/hr_fancy。jpg

在20世紀40年代前，人們普遍認為旋臂是由

固定的O、B型恆星、H II複合體和氣體塵埃

組成的物質臂，其中“固定”二字表明恆星不會隨意進出旋臂。然而，該理論卻頻頻遭到天文觀測結果的挑戰。

一些典型星系的轉動曲線，即星系中不同軌道半徑處的恆星的公轉速度與其軌道半徑的關係 Source： galaxies-06-00070-g001。png （3519×4244） （mdpi。com）

過去幾十年中，天文學家發現，在大多數普通旋渦星系和棒旋星系中，

不同軌道半徑處的恆星的圓周運動速度相近

（星系核除外）。這表明，同一星系中大多數恆星公轉的線速度是近乎相同的。然而，

恆星的公轉軌道半徑又有著巨大的差異，角速度因之而不同，該現象被稱作星系的較差自轉

。倘若旋臂實為物質臂，則隨著星系的演化，旋臂會越纏越緊。

Source： B。 W。 Carroll， D。 A。 Ostlie An Introduction to Modern Astrophysics

以上圖所示情況為例。對於A、B、C、D四個點，記其軌道半徑分別為1、2、3、4。在初始狀態（a）中，四個點位於一直線上；當A點公轉一週後，影象便呈現出（b）的形態；若A點再公轉一週，則會變為（c）。黑線即為旋臂。

可見，A點僅僅公轉了2周後，原本筆直的旋臂便出現了明顯的彎曲

。但是，觀測結果表明，

並沒有任何星系的旋臂纏繞為一圈或多圈

。這表明，一個更完善的理論有待被提出

。

1942年，瑞典天文學家B. Lindblad提出了密度波理論。1963年，美籍華裔天文學家林家翹與徐遐生在林得布拉德的研究的基礎上完善了密度波理論，該理論為學術界主流所接受。

在密度波理論中，旋臂不再是固定不變的物質臂，而是運動的密度波的波峰。

每時每刻都有新的恆星進入旋臂，也有恆星離開旋臂。恆星不再是固定在旋臂上，而是達成動態平衡。

星系中，旋臂扮演著“引力陷阱”的角色。恆星和氣體進入旋臂時，物質的密度增大，導致恆星運動速度降低，密度升高，隨之形成邏輯閉環。

對於每顆恆星而言，公轉過程即可拆分為進入旋臂，減速，離開旋臂，加速，再進入旋臂，如此迴圈往復；而從宏觀看，恆星和氣體川流不息進出旋臂，旋臂的形態長期維持穩定。密度波理論的成功之處，便在於可以解釋旋臂形態的穩定性。

不同軌道半徑處的恆星進出旋臂的方向有所區別，特定軌道半徑處的恆星甚至可能與旋臂以相同速度運動 Source： slide13-l。jpg （1024×768） （slideserve。com）

為了更好地理解密度波理論，不妨將恆星類比為汽車。在川流不息的馬路上，關閉一個路段中的一根車道，勢必會造成交通堵塞。在堵塞路段，汽車行駛速度緩慢，密度較高。

總的來看，擁堵路段中的汽車有進有出，形成動態平衡，這與恆星進出旋臂的方式相仿。

同時，汽車進出擁堵路段的速度顯然與關閉路段移動的速度大小不是一件事情，在星系中，旋臂有旋臂轉動的速度，而每顆恆星有屬於自己的速度，二者並不相同。

可將密度波理論中的旋臂類比為擁堵路段，恆星類比為汽車Source： l19X17。GIF （730×547） （gmu。edu）

密度波可以被理解為引力勢擾動產生的

駐波

，但是這種擾動的產生原因仍有待探究。

參考文獻：

［1］ B。 W。 Carroll， D。 A。 Ostlie An Introduction to Modern Astrophysics

［2］

向守平

《天體物理概論》

［3］

劉學富

《基礎天文學》