旋渦星系

林達博是研究螺旋臂形成的先驅，他意識到恆星要恆久保持螺旋臂的形狀會遭遇到"纏繞困境"而難以維持住，因為星系盤中天體的環繞速度會隨著至中心的距離而變化，一條向外輻射出的臂（像車輪的輻條）很快就會因為星系的自轉彎成弧線。星系只要自轉幾周之後，螺旋臂的曲率就會增加至緊緊纏繞著星系的球核。但觀測到的卻不是如此。螺旋星系（SpiralGalaxy）是由大量氣體、塵埃和又熱又亮的恆星所形成的，有旋臂結構的扁平狀星系，是觀測到的數量最多、外形最美麗的一種星系，屬於河外星系，在哈勃的星系分類中用S代表。

螺旋星系是以它們從核心延伸到星盤的螺旋結構命名，它的螺旋形狀最早於1845年觀測獵犬座星系M51時發現。

旋渦星系的螺旋臂解釋圖。第一個令人可以接受的理論是林家翹與徐遐生兩人在1964年發明的，他們建議螺旋臂只是螺旋密度波的顯示。他們假設恆星在細長的橢圓軌道上並且原來的軌道方向是互有關聯的，也就是說，橢圓以很平順的方式隨著與核心距離的增加逐漸改變了他們的方向。這就是圖中所說明的，很清楚的觀察到橢圓軌道在某些區域緊密結合在一起的”現象”就是螺旋臂。因此恆星並不是永遠保持在我們所看見的位置，他們只是在軌道上移動時經過螺旋臂。

二擇一的另一個被推薦的假說是星系的運動造成恆星陷入波浪中，因為形成時最亮的恆星也會最快死亡，便會在波的後方形成黑暗的區域，因而使得波被看見。

風車星系(也稱為M101或NGC5457)是旋渦星系的例子旋渦星系(SpiralGalaxy)是由大量氣體、塵埃和又熱又亮的恆星所形成，有旋臂結構的扁平狀星系，有下列結構特徵：

1.有相當大的總角動量。

2.中心有球核的結構，被周圍的星系盤環繞著。

3.球核類似橢圓星系，有許多老年的屬於第二星族的恆星，並且通常會有超重黑洞隱藏在中心。

4.星系盤是扁平的，伴隨著星際物質、年輕的第一星族恆星、和疏散星團，共同繞著球核旋轉。

旋渦星系的名稱來自由球核向外成對數螺旋在星系盤內延展，並有恆星形成的明亮螺旋臂。雖然有時很難辨明，例如螺旋臂有叢生的絮結時，但螺旋臂相對的可以區分出有星系盤結構卻沒有螺旋臂的透鏡星系。

旋渦星系的星系盤外通常會有龐大的球形星系暈包圍著，其中主要的成員是年老的第二星族恆星，也有許多被聚集在環繞著星系核的球狀星團內。

銀河系長久以來都被認為是旋渦星系，以哈勃分類法歸類為Sbc，但來自史匹哲太空望遠鏡的觀測卻顯示應該是棒旋星系，重新分類為SBb。

旋渦星系無論在形態結構上還是在恆星成分上同橢圓星系都有很大的不同。當然，旋渦星系的核部象個橢圓星系，但僅此而已。旋渦星系的旋臂里含有大量的藍巨星、疏散星團和氣體星雲．仙女座星系M31便是一個典型的旋渦星系，而且離我們的銀河系很近（距太陽二百二十萬光年），用肉眼就能隱隱約約地看到它，宛如天穹上漂浮著的一片薄雲。

在右圖中，仙女座星系的細節披露得非常清楚．中央是由星族II的恆星組成的核部。各旋臂是由發射星雲、暗淡無光的氣體、銀河星團和藍巨星組成的條帶，上述成員均為星族I天體．旋臂雖然很亮，但核部以外的光主要來自一個由光度等於或略小於巨星的恆星組成的墊層．旋臂就疊加在這個幾乎透明的恆星墊層上，因此透過旋臂之間的墊層部分仍能看到更遙遠的星系。觀測結果表明，墊層的形狀類似於橢球，它分佈在星系中央平面的上下，富含球狀星團，其顏色比旋臂稍紅，因此可能屬於星族II。

螺旋臂是由星系的核心延伸出來的旋渦和棒渦組城的區域。這些長且薄的區域類似旋渦，此種星系也因此而得名。

螺旋臂的存在曾經令科學家大惑不解，因為在星系旋轉時，星系最外圍(邊緣)的恆星運動得比接近中心的恆星更快。事實上，螺旋臂並不是恆星運動造成的結果，但是密度波會導致恆星形成。因此，螺旋臂因為有年輕的恆星而顯得明亮(並且本來質量大、明亮的恆星存活的時間不長)，不是因為恆星的運動造成螺旋臂。

球核是巨大的，由恆星緊緊的包裹而成的集團，普遍的存在於絕大多數旋渦星系的中心。旋渦星系的球核通常由第二星族的恆星組成，又小、又紅也較老。這是因為這些恆星全都是與星系同時誕生的，都已經有數十億的年齡，只有小的紅色恆星能活的如此久。

許多球核被認為在核心有超重黑洞寄宿著，這些黑洞雖從未被直接觀察到，但許多都能間接的證明存在。一些球核有第一星族的恆星，藍色、年輕的恆星，或是兩者混合在一起，雖然距離完全了解還有很長的距離，通常都認為這是與其他星系產生交互作用的證明，例如星系吞噬，將新的氣體送到中心並且造成恆星的形成。

球核有些特性與橢圓星系相似(縮減至較低的質量和光度)。

旋渦星系中大多數的恆星，不是緊挨著星系盤唯一的平面，就是圍繞著星系的核心（星系核）在常規的軌道上運行，再不就是聚在扁球體的星系扁球體繞著星系核心轉。然而，這些形成的扁球暈或星系扁球體，都朝向星系的中心集中。對這些星群的軌道仍有爭議，它們的方向有順行也有逆行，或許併合著高傾斜角的軌道，或在不規則的軌道上運行，不一而足。

暈中的恆星或許是來自外面的，或是因為星系吞噬而來自其他的星系。例如，人馬座矮橢球星系是銀河系正在進行星系吞噬的對象，觀測顯示銀暈中的一些恆星就來自這個星系的扁球體。不同於星系盤，星系暈中的星際塵埃似乎是自由的，進一步的比對，暈中的恆星都是第二星族的，非常老，金屬含量也遠比在星系盤中的親戚第一星族的低(比較像球核的)。星系暈中也有許多的球狀星團。暈中的星在運行中偶爾也會穿越過星系盤，一些在太陽附近的紅矮星就被認為是屬於星系暈的成員，例如卡普坦星和Groombridge1830。由於他們環繞星系中心的運動是不規則的，這些恆星經常會呈現出異常的自行現象。

在宇宙中高速運行具有星系核的星系，當它追及到另一個具有星系核的星系時，如果兩者的運行速度相近，就會相互吞噬，形成了一個更大的星系。倘若這兩個星系的星系核相遇，就會相互繞轉而形成一個質量更大的高速旋轉的星系核。這個高速旋轉的星系核就像一個巨大的發電機，從它的兩極爆發出能量強大的粒子流向遠方噴射。星系核的能量越大，噴射粒子流的流量也就越大，噴射得也就越遙遠。我們把這樣的星系核稱作兩極噴流星系核。

星系核在噴射高能粒子流的時候，會消耗其自身的能量，然而，當它俘獲了其它星團或者星系以後，就會增添能量。當星系核的能量發生由大到小的變化時，就會建造出兩條粗大的噴流帶。如果星系核的磁軸繞著另一條軸（這條軸稱作星系核的自轉軸）旋轉，那麼，噴流帶的軌跡就會彎曲，而演變成旋渦星系的兩條旋臂。一般的，星系核的磁軸與自轉軸之間的夾角（0~π/2）越大，所建造的星系盤面就會越扁；否則就會越厚。星系核的磁軸繞著自轉軸的旋轉速度越快，旋臂纏卷得就會越緊；否則，就會越松。旋渦星系的兩條旋臂是恆星誕生的活躍區域。

美國航空航天局（NASA）官員日前稱，科學家們通過該組織和歐洲航天局合作研製的哈勃太空望遠鏡觀測到了有史以來最大的旋渦星系，並拍攝了其照片。科學家們稱，此次觀測到了星系是有史以來最大的，觀測的結果也是最詳細的。科學家們最後合成的圖像是16666*12000像素的，它是由哈勃太空望遠鏡51次的拍攝結果合成的。這是巨大的旋渦星系哈勃太空望遠鏡在執行一次例行的觀測任務時發現的，這一發現將使我們對宇宙形成的速度有一個新的認識，特別是對一些巨星形成初期其周圍眾多星團的形成速度有一個新的認識。科學家們同時還發現，星系周圍的環是一個新星誕生的地帶，這些星體是造成宇宙中存在強X射線輻射的罪魁禍首。

旋渦星系的形狀象一個圓盤，它是由許許多多的星體和太空灰塵以及氣體組成的，直徑約17萬光年，這一距離相當於銀河系直徑的兩倍。科學家們把這一新的旋渦星系命名為“M101”。天文學家們稱，“M101”旋渦星系至少擁有1萬億顆星球，其中至少有1000億顆星球在溫度和壽命方面都可以與太陽相媲美。科學家們還為“M101”旋渦星系起了一個別名，叫做“輪轉焰火”星系，它位於大熊星座以北距離地球2500萬光年的地方。

科學家們使用美國宇航局錢德拉塞卡X射線空間望遠鏡首次發現了在一個和我們銀河系類似的旋渦星系中存在的一對超大質量黑洞。這一對黑洞距離地球約1.6億光年，是迄今發現的距離最近的此類天體現象。

這對黑洞位於旋渦星系NGC3393核心位置，兩者相距僅490光年。科學家們相信這是數十億年前該星系吞併了另一個質量較小星系后留下的遺跡。

哈佛-史密松天體物理中心(CfA)的佩皮・法比亞諾(PepiFabbiano)領導了這項研究，他們的論文已經發表在本周出版的在線版《自然》雜誌上。他說：“要不是這一星系距離我們如此之近，我們絕無機會觀察到這一現象。從宇宙角度來看，這一星系幾乎就在我們鼻子底下，這讓我們不得不開始懷疑我們是否之前還錯過了許多類似的雙黑洞現象。”

在先前的X射線和其他波段觀測中，天文學家們很早便注意到星系NGC3393的核心位置存在一個超大質量黑洞。然而此次錢德拉望遠鏡進行的長時間觀測讓科學家們有機會識別出這其實是一對雙黑洞。兩個黑洞成員都處於活躍狀態，隨著大量氣體物質落向它們並迅速發熱升溫，產生劇烈的X射線輻射。

天文學家們認為，當兩個質量大致相等的旋渦星系合併時，它們應當會在核心形成一對超大質量黑洞，同時星系會嚴重變形，漩渦結構消失，並形成大量的恆星新生區。一個廣為人知的例子就是NGC6240核心區的超大質量黑洞，它距離地球大約3.3億光年。然而星系NGC3393的情況顯然與此不同，它是一個規整的旋渦星系，其核心區被大量老年恆星佔據，看不到明顯的恆星新生區域。這對於一個核心區擁有一對黑洞的星系而言顯得不同尋常。事實上，NGC3393可能是首個被發現的這類案例，即一個較大規模的星系吞併一個小質量星系，並在其核心形成雙黑洞的情形。並且，根據現有理論顯示，這種質量不對稱的吞併行為應當是造成星系核心雙黑洞現象的主因。不過要證實這一點非常困難，因為要找到這種案例實在困難重重，核心區域擁有雙黑洞的旋渦星系外形看起來和普通的旋渦星系根本看不出任何區別。

同樣來自哈佛-史密松天體物理中心的研究參與者王雲峰(JunfengWang，音譯)說：“除了其核心位置的兩個黑洞之外，這兩個星系的合併沒有留下一絲痕迹。考慮到質量不對稱的合併現象，在這類情形中大質量的一方在合併發生后毫髮無損並不令人感到意外。”那麼，如果這果真是一次質量不對稱合併事件的結果，那麼這兩個黑洞的質量一定存在很大的差異。還沒有這兩個黑洞具體質量的精確測量數據，但是觀測已經顯示這兩個黑洞的質量都超過了100萬倍太陽質量。根據推算，這兩個黑洞應當將在大約10億年後合併。

這兩個黑洞隱藏在大量氣體和塵埃雲帷幕後方，難以在光學波段進行觀測。但是X射線能級更高，它可以穿透這層雲霧。高度靈敏的宇航局錢德拉空間X射線望遠鏡探測到了清晰的雙黑洞信號。此次有關星系NGC3393黑洞的發現和之前德州大學奧斯丁分校天文學家茱莉亞・科瑪福德(JuliaComerford)同樣藉助錢德拉望遠鏡發現的一個疑似雙黑洞目標存在一些相似之處。當時科瑪福德檢測到兩個X射線源，這可能是由於這一距離地球約20億光年星系內部兩個黑洞獨立發出的輻射，兩者相距估計約為6500光年。論文合著者，任職於哈佛-史密松天體物理中心和義大利國家天體物理研究院的基多・瑞薩里提(GuidoRisaliti)說：“碰撞和合併是宇宙中星系和黑洞成長的最重要方式之一，找到存在於旋渦星系核心部位雙黑洞的證據是我們了解這種過程的一個重要步驟。”

錢德拉塞卡X射線空間望遠鏡是一台威力空前的X射線波段觀測設備，由史密松天體物理台負責運行和飛行控制，管理工作則由設在亞拉巴馬州亨茨維爾的宇航局馬歇爾空間飛行中心負責。