涡旋星系与太空版《星月夜》

 王 振 东（天津大学力学系，天津300072）


摘要：涡旋星系是大自然中尺度最大的流体涡旋。哈勃望远镜拍摄到许多很美妙的涡旋星系照片，使我们认识到在宇宙中有那么多姿多态的星系，涡旋星系是其存在的常态之一。天文学家评选出哈勃望远镜巡天16年的十佳照片的第八张，被命名为《星月夜》的太空版，它与梵高《星月夜》和NASA公布的洋流版《星月夜》，都是形象描述流体涡旋的画作与图像。

关键词：梵高；星月夜；流体涡旋；涡旋星系；哈勃望远镜
 哈勃和星系分类“音叉图”

哈勃（Edwin Powell Hubble，1889.11.20～1953.9.28），美国天文学家，观测宇宙学的开创者。1889年11月20日生于美国密苏里州马什菲尔德，1953年9月28日卒于美国加州圣马力诺。
哈勃对20世纪天文系作出许多贡献，被尊为一代宗师。其中最重大贡献有二：一是确认星系是与银河系相当的恒星系统，开创了星系天文学，建立了大尺度宇宙的新概念；二是发现了星系的红移-距离关系，促使现代宇宙学的诞生。

哈勃研究过约600个星系，其中17%是椭圆星系，50％是标准涡旋星系，30%是棒旋星系，而不规则星系只占3%.
1926年，哈勃提出了著名的星系分类“音叉图”，试图将繁多的星系用外观进行分类，成为容易识别的序列。

哈勃的星系分类“音叉图”

在哈勃的星系分类中，包括外观从圆形E0到椭圆形E7的椭圆星系，椭圆星系只有核球，没有旋臂；用Ｓ代表具有涡旋结构的星系。涡旋星系又分为 a、b、c三种次型：Sa型中心区大，稀疏地分布着紧卷旋臂；Sb型中心区较小，旋臂较大并较开展；Sc型中心区为小亮核，旋臂大而松弛。 哈勃认为，有些星系中央有棒状结构，有些则没有：SBa到SBc代表有中央棒状结构的涡旋星系，Sa到Sc是中央没有棒状结构的涡旋星系。

在天体研究中首先引入涡旋观念的是法国的笛卡尔，他提出了以太涡旋理论，认为以太是一种非常稀薄的连续流体，没有重量，物体作用是通过以太挤压来传递的，天体在以太中运行不会受到任何阻力。笛卡尔认为，在自然界中只有通过物质的接触才能发生作用和产生运动。他想象一个粒子让出了位置，则被临近粒子占有，而空出的位置又同时为第三个粒子所有。粒子不断调换位置，作循环的旋转运动，结果就形成了物质的涡流。1669年，荷兰的惠更斯以水碗里的涡旋把涂蜡的卵石拉向碗中心的实验，来支持笛卡尔的学说。他把旋转的水比作以太涡旋，认为以太由于旋转而具有了力图离开中心物体的倾向，从而又迫使其中的物体向中心物体靠拢。

涡旋星系通常具有明亮的旋臂。20世纪40年代﹐林德布拉德提出了用星系密度波来解释涡旋结构。他认为旋臂并不是永远由一些固定的恒星组成的“物质臂”﹐而是随著时间的不同，会在这里聚集更多的恒星。
美藉华裔学者林家翘等，1964年提出了准稳涡旋结构假说﹐认为涡旋星系的基态是稳恒且又是轴对称的。他们证明﹐涡旋结构一旦形成就会长期维持下去,还求出了密度波的色散关系，成功地解释了许多观测事实﹐同时又在密度波理论的基础上﹐研究了大尺度的星系激波﹐为解释恒星的形成提供了一种可能的机制。
星系动力学的研究虽然成果己不少﹐但涡旋结构的起源至今仍未能弄清楚﹐就是已经建立起来的理论﹐也还带有半经验的性质。
哈勃望远镜和多姿多彩的涡旋星系

哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope）是以天文学家哈勃为名，由美国宇航局和欧洲航天局共同管理，在轨道上环绕地球的望远镜。它1990年4月24日搭乘“发现号”航天飞机，顺利进入预定轨道，开始了孜孜不倦的巡天航程。这架太空望远镜因位置在地球的大气层之上，所以获得了地基望远镜所没有的好处：影像不会受到大气湍流的扰动，视相度很高，又没有大气散射造成的背景光，还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。这是人类第一座巨型空间天文台，填补了地面观测的缺口，帮助天文学家解决了许多根本问题，对天文物理有了更深入的认识。

运行在环绕地球轨道上的哈勃太空望远镜

展开了太阳能电池板的哈勃太空望远镜

 哈勃太空望远镜充当起人类观测宇宙的眼睛，人们凭借它对天体精确的观测能力，揭示了更多宇宙的奥秘。从下面几张它拍摄的图片，我们可以看到几张典型的涡旋星系图片：


横亘夜空的银河系并非像天文学家原先猜测那样，呈现规则的涡旋状，而是有一条长达27000光年的恒星棒，架在涡旋星系中间。
哈勃太空望远镜1999年11月拍摄的大犬座内的一对涡旋星系，NGC 2207和IC 2163是正在碰撞和合并中的星系，它们将逐渐合并成一个椭圆星系。




 棒锤型的涡旋星系是中心呈长棒形状的涡旋星系。一般的涡旋星系的中心是有圆核的，而棒锤型涡旋星系的中心是棒形状，棒的两边有旋形的臂向外伸展。

狮子座中的涡旋星系

 狮子座的涡旋星系NGC 3521，离我们约