谌嗣且不姑挥邪延泄氐南窒笸耆鲜肚宄：阈窍低吃谧宰２饬苛怂堑淖宰俣龋ú卧母铰糀），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，转到后来都要变成旋臂模样。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。若干年前我们在哥廷根对冯·魏茨泽克所提的牛状银河系作了试探性计算，直到不久前还在汉堡任教的阿尔弗雷德·倍尔（AlfredBehr）当时向我们提供了帮助。得到的结果画在图12…5中：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
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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以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。像图0…4那样，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。下面就来谈谈这个问题。■旋臂究竟是什么自然界的流动过程往往造成规则的形象。风和水相互作用引起澎湃的波涛，以均匀的节奏拍击海滩。平坦沙滩近旁的海底表现出规则的波纹，把不同密度和温度的几种液体小心地混和，也往往出现各种图形。可可凉下来的时候，表面形成规则的花样。在引力和离心力相互作用的支配下，在一个圆盘里围绕公共中心运转的群星，也表现出构成图样的倾向。让我们来设想一下，大量恒星聚集在一个旋转圆盘里，那么离心力和引力在圆盘的一切场所都保持相互平衡，但一般情况下这种平衡是不稳定的。只要某一处包含的星数偶然过密，它们就会更进一步相互吸引，就像星际气体的不稳定状态导致恒星的诞生那样。不过在这样的情况下，还有离心力这一重要因素，因此，演变过程也就比较复杂。我们不妨用计算机来模拟求解。图12…6是用计算机所得200000颗星在一个旋转圆盘中的运动情况。恒星构成了一套旋臂！因为包含的恒星并非一成不变，所以旋臂不会卷成一团。恒星一批批地流过旋臂！当恒星沿着它们的类似圆形的轨道飞进一条旋臂时，它们就彼此挤紧。当它们离开旋臂而去时，它们就彼
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此松开。所以说，正像火焰是气体分子发生化学反应的地方那样，旋臂是恒星相互挨紧的场所。旋臂中单位体积内的恒星数量比圆盘中其他处要多。这一点在图12…6中看得很清楚，而在真实的星系中这类稠密区却小得很难观测出来。幸而，和恒星一样参与星系自转的星际物质在穿经旋臂时密度也增高了！这样的密度升高也就为恒星的诞生创造了所需的条件。所以旋臂成了恒星产生的所在，新生恒星中的大质量强光度蓝星则激发近处的气体使之放光。使旋臂成为触目壮观的不是密集紧挨的群星，却是发射强光的氢云。我们已经结识了猎犬星座中的那个星系，图0…4是它的照片。我们还要通过它进一步了解恒星在旋臂中形成的情况。我们遥遥望见这个星系夹在我们生活的这个星系的一批近星之间发着微弱的光。它的光线要跋涉1200万年才能进入我们的望远镜。因为我们可以说是从上往下观望这一星系，也就是视线方向垂直于它的圆盘面，所以看到的旋臂分外动人。猎犬座星系中恒星的诞生从这个星系传来了射电辐射。可能是在以前的超新星爆发中获得巨大速度的电子，在运动中流过这星系而发出无线电波。人们用高灵敏度射电望远镜不仅能接收到这种信号，甚至还能区分这个星系哪些部位发出射电辐射较强，哪些部位较弱。1971年，射电天文学家唐纳德·马修森（DonaldMathewson），皮特·范·德·克鲁特（PietvanderKruit）和维姆·布罗弗（WimBrouw）在荷兰制成了一幅这个星系的“射电图”（见图12…7），其中用亮度表示射电强度，愈亮之处射电辐射愈强。尽管用这种射电望远镜不及用光学望远镜看得那么清楚，旋臂结构还是不难认出来。所以旋臂不仅在可见光区放着光彩，而且还发出射电辐射。电子在同一星系中不同部位处发出的射电辐射强度不同，这是为什么？其原因和这种辐射的产生机理有关，这里就不作论述，我们只要知道凡是星际气体密度较高之处产生的射电辐射也较强就行了。如此说来，猎犬座星系的射电图像也证明，旋臂中不仅恒星密集在一起，而且星际气体的密度也较高。不过猎犬座星系告诉我们的信息还不止于此。仔细对比可以看出，射电辐射最强的所在并不完全和可见旋臂相重合（见图12…8），星际气体最大密度区位于曲曲弯弯旋臂的偏内侧。这反映什么呢？整个星系在自转，它的组成物质在运动中穿旋臂而过，恒星偕同星际物质在这样的过程中都是由弯曲旋臂的内侧进去，再从外侧出来。可见旋臂来源于新生恒星，射电旋臂则反映星际气体浓缩的所在，把两者加以对比可以推出下面的情景。这个星系中的恒星和星际物质一起运转（见图12…9），逼近一处旋臂
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区域。随即这些恒星相互挤紧，气体密度增加，创造了新生恒星的条件。局部云团出现并发生坍缩，一批原恒星诞生了。稍后，那批恒星和星际物质便又漂移出形成射电旋臂的密度较高区。很快，一切似乎又恢复如前。但是，并不尽然，已经开始坍缩的云团继续坍缩，由气体密度一时的增长所引起的造星过程进一步发展。再过了些时候，原恒星演变成一批大质量新生恒星。这些蓝色强光度恒星的辐射激发附近的星际气体使之发光，新生恒星造成了可见旋臂。■概括起来，首先是星系物质穿越密度较大的旋臂，引起产星过程；然后是首批新生恒星使可见臂亮了起来。因为猎犬座星系中恒星与气体的运动速度已知，密度臂与可见臂之间的距离又能测出来，所以我们能计算出从星际气体紧缩到首批新生恒星出现需要多长时间：结果是约为600万年。在这段时间的最后50万年中，各个分立云团里发生着像拉森的计算所得出的那种变化；而从这段时间的开头直到星际物质演变成拉森用作计算起始点的云团，则需要550万年。大质量恒星绕星系中心运行还远没有转完一圈，它们的寿命就到头了。这些星把它们的大部分物质送回了星际气体，演变成了白矮星，或是爆发为超新星了。由于核反应而富含重元素的恒星物质返回星际气体后，当它穿过旋臂时就成为孕育下一代恒星的原料。不能参与这种循环变化的，是恒星生命终了时以白矮星或中子星这类致密天体的形成所残留下来的物质。从前，在银晕恒星已经出现后很久的某个时候，现在构成太阳的物质也曾作为星际气体的一部分在运动中穿越一处旋臂而使许多恒星诞生。其中质量较大的太阳同庚星早已熄灭，像太阳那样质量较小的许多同庚星则已经被银河系的不均匀自转甩开而失散在各方。
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13。行星和它们的居民月亮上是否有人居住，天文学家了解这个问题的确切程度可以说就像他知道谁是自己的父亲一样，而并不像他了解他的母亲一向是何许人那样。格奥尔格·克里斯托夫·利希滕贝格（GeorgChristophLichtenberg，1742—1799）由于角动量因素，恒星的诞生还是和上一章所讲的有所不同。群星和星际物质都在绕银河系中心运动。可是各个分立云团同时也都在绕它们自己的中心转动，这种自转运动不仅持久不衰，并且在星际气体云团和尘埃云团紧缩以形成恒星时反而会加强。这个因素的影响是深远的。紧缩造成自转变快，离心力增大。后者使云团赤道区的引力减弱，使紧缩着的云团形状变扁，到后来只能形成一个旋转圆盘（参见图13－1）而并不会像拉森的计算那样变为一颗完美的球状原恒星。和前一章我们所了解的过程相比，看来一切都变了样。我们的行星系证明，原始物质的自转运动在太阳形成过程中起了重要作用。行星都沿着同一方向围绕太阳公转，它们的轨道几乎都位于同一平面内，就好像它们确实起源于一个扁盘中并且还在反映其自转那样。还有另一个启示是，作为中心天体的太阳虽然几乎集中了太阳系的全部质量（行星只分到总质量的13‰），但是简直没有什么角动量。太阳系的角动量包含在行星的公转运动中。看来就好像坍缩星际云中的物质真会巧安排，它重新分配了阻碍它形成恒星的角动量。初始物质中一小点质量几乎抓走了全部角动量，构成了一批行星，使得几乎失去了所有角动量的绝大部分质量能形成一个拉森式的中心星体。用计算机求解行星起源问题法国数学家拉普拉斯（Laplace）和德国哲学家伊马努埃尔·康德早就猜想过，认为太阳和行星是由一个自转着的原始星云形成的。当前，人们已经试图用电子计算机来搞清这种演变过程。下面要讲的内容根据加利福尼亚天体物理学家彼得·博登海默（PeterBodenheimer）与维尔讷·恰努特共同研究所得到的结果。本来他们想要解释的是太阳和行星的起源，但是计算结果完全是另一回事。当人们勇敢地试图解答更难一步的问题时，才体会到用计算机模拟球对称过程是多么容易。在球对称的情况下，任何时刻一切东西只决定于离
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中心的距离。拉森模型中如果有一个质点在某一时刻受到加热，那么距离中心和它一样远的，也就是和它处在同一球面上的所有物质同时受到加热。如果这种物质没有自转，球对称就是良好的近似，因为包含在坍缩过程中的每个质点不管来自什么方向都经受同样的作用力。有了自转，对称性就受到干扰。从两极方向飞来的质点受力与来自赤道方向的质点不同。如果球对称不存在了。这样人们就面临极端复杂的情况了吗？不是的，某种程度的对称性依然存在。例如在赤道平面内，许多质点在轨道运动中向中心点移近时尽管来自四面八方，但这些质点受力的大小和它们的轨道偏向何方无关。这种情况称为轴对称过程。虽然这还不算最坏的局面，用计算机求解轴对称问题仍是一大难题。虽说如此，人们还是有办法。博登海默和恰努特用计算机对一团自转坍缩云的演变进行了探索（见图13－2）。开始阶段的情况和拉森模型一样：云团坍缩，中心出现一个浓密区。但是随着云团进一步紧缩，离心力的作用愈来愈明显，云团愈来愈扁，终于成为一个扁盘。只有自转轴附近的物质继续向中心下落，赤道面的气体向中心移近的速度则非常缓慢，乃至完全停滞。得到的结果不是一个核心而是一个圆盘，下落的物质不是来自四面八方而只是沿着轴向进入。厚度只有赤道半径1/8的这个圆盘所占的空间范围很广，约为最远行星即冥王星轨道半径的120倍。它绕中心轴自转一周大约需要30万年。这样的结果并没有完全符合人们的期望。本来的意愿是想要在内心区产生一个原始太阳，在这个太阳的周围又最好来上一个圆盘，后者天长日久便会孵育出众行星。可是，博登海默…恰努特圆盘并没有中心太阳之类的天体，物质最密集之处却在中心往外17倍冥王星轨道半径的周围空间形成了一个环状体。出了一个环，而不是一个中心天体！从侧面看这个环像图13…2下方小图的情景，从正面看它时像图13…3上�