想想你在夜空中看到過的最壯觀的物體。當然，有一大堆的目標可供選擇，包括垂死的恆星、超新星殘骸、形成恆星的星雲和新舊星團，但沒有什麼能與螺旋星系的美麗相比。這些「島嶼宇宙」包含了數十億到數萬億顆恆星，它們呈現出自己獨特的結構。注意，如果你仔細想想這個結構，會覺得很費解，就像我們的提問者格雷格·羅傑斯所做的:

關於螺旋星系，有一件事一直困擾著我，那就是你只能看到旋臂繞了一半左右。由於外圍圍繞著核心旋轉的速度較慢，我預計人們會看到一些星系的旋臂繞著核心轉了很多次。難道宇宙的年齡還不足以讓這些纏繞得更緊的螺旋星系形成嗎？

圖片來源:歐洲航天局/哈勃和美國宇航局。

當你觀察任何一個的螺旋星系，它們都展示出相同的表觀結構。

從星系中心向外輻射出的螺旋臂數量不定——通常在2到4個之間——它們環繞著星系向外螺旋運動。在20世紀70年代，我們產生了一個奇妙的發現，與我們的預期完全相反，原本認為當你向外移動時，恆星圍繞星系的軌道速度不會變慢，就像行星繞著我們的中心恆星轉的越遠，速度就越慢。相反，另一種說法就是恆星的移動速度保持不變，說明星系的旋轉曲線是平面的。

圖片來源:維基共享用戶史蒂芬妮婭·德盧卡。

我們測量它的方法是通過觀察邊緣的螺旋，觀察單個恆星相對於它們到銀河系中心的距離有多少紅移或藍移。但是即使單個恆星的速度大致是恆定的，一個離中心兩倍遠的恆星繞一圈需要兩倍的時間，而一個十倍遠的恆星繞一圈需要十倍的時間。

考慮到這種情況，我們可以做一些計算:對於像我們銀河系這樣的星系，根據太陽和其他恆星的運動速度，太陽繞銀河系運行一周需要大約2.2億年。我們距離銀河系中心大約26,000光年，我們離它的外圍還有不到一半的距離。這意味著，對於一個像我們銀河系這樣大約有120億年歷史的星系來說:外層恆星應該只完成大約25次軌道運行;太陽所在的恆星應該已經完成了大約54個軌道;1萬光年內的恆星應該已經完成了100多次軌道運行。

但是，正如我們的星系圖像所顯示的，它們不會環繞幾十次；螺旋臂在大多數情況下甚至一次都不環繞！當我們第一次意識到星系的這種屬性時，有一件事是肯定的：這些旋臂不是物質，它們只是一種視覺效果。無論星系是否處於孤立狀態，這都是正確的。但如果我們仔細觀察，這些星系還提供了另一種暗示。

圖片來源:ESO，由EFOSC儀器拍攝，安裝在ESO位於智利的La Silla天文台的3.58米新技術望遠鏡上。

你注意到螺旋臂上布滿了「粉紅色」的點了嗎?每當我們有新星形成的活躍區域時，這些就會出現;粉紅色的信號實際上是一個非常精確的波長的發射光的過量：656.3納米。這種發射光在高溫的時候產生，當熾熱的新恆星明亮地燃燒，足以電離氣態物質，然後當電子與質子重新結合時，新形成的氫原子以特定的頻率發光，其中就包括一種可以使這一區域發出粉紅色的光。

這向我們表明，這些旋臂實際上是由物質密度高於星系中其他位置的區域構成的，隨著時間的推移，恆星可以自由地進出這些旋臂。

解釋這一現象的理論自1964年以來一直存在，被稱為密度波理論。該理論認為，隨著時間的推移，旋臂本身似乎停留在同一地點，就像交通堵塞停留在同一地點一樣。即使是個別的物體(旋臂上的恆星; 交通堵塞的汽車) 可以自由移動，在任何時候，堵在「軌道里」中的星星數量都是相同的。這導致稠密程度隨著時間的推移而保持穩定。

它背後的物理學原理甚至更簡單:不同半徑的恆星都會產生我們所習慣的引力，而這些力正是維持螺旋形狀的力量。換句話說，如果你從一個氣體密度過高的區域開始，並允許你的「圓盤」旋轉，你會得到一系列恆星最初形成的一系列區域:原臂。隨著時間的推移，星系不斷演化，這些旋臂——以及密度過高的區域——僅靠引力的作用得以維持。

值得注意的是，不管在你的星系周圍是有一個巨大的光環(下圖，右側)，或者根本沒有暗物質(下圖，左側) ，這種理論都同樣有效。

圖片來源:維基共享用戶英戈·伯格，《福布斯》工作人員將其變成了GIF。

儘管你問題的前提是有缺陷的，格雷格，但因為一個星系中的外層恆星和內部恆星的運動速度一樣快，所以臂狀結構永遠不會停止，不管一個星系有多老，這都是由星系本身的物理特性決定的。恆星、氣體和塵埃這些物質就像交通堵塞，發現自己在旋臂在任何時候附近都很擁擠, 一旦它們再次移出，它們會發現自己和其他恆星之間的距離很遙遠，就像我們今天的太陽一樣。

參考資料

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3. Ethan Siegel Senior Contributor- J.Smiley

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