科学问题：旋臂结构是如何形成的？
旋涡星系通常有2-4条旋臂，有2条主旋臂且好像经过宏观精心设计的（grand design，如M51等），也有多条旋臂且结构较复杂的（如NGC 1232）。
旋涡星系M51（左）和NGC1232（右） | 图源：HST/ESO
〇 密度波理论：巧解旋臂的形成
从1845年，英国天文学家威廉∙帕森斯（罗森伯爵Ⅲ）第一次发现M51的旋涡图样开始，天文学家便被这种奇特的旋臂结构所吸引。后来，天文学家基于大量的观测得知我们的银河系也是一个旋涡星系。那么这种结构是如何产生的呢？
1942年由瑞典天文学家贝蒂尔·林德布拉德（Bertil Lindblad）提出，后经华裔天文学家林家翘和徐遐生等人不断完善的密度波理论成为迄今最受欢迎的星系旋涡结构形成理论。密度波理论认为旋臂并非物理意义上的物质“存在”，而是恒星穿越时的“交通拥堵”造成的：恒星或分子云围绕银河系中心并非做完美的圆周运动，而是类似太阳系中彗星一样的椭圆运动。恒星或分子云运动到椭圆轨道的较远端时会减速到最慢，而当有大批的恒星运动到这个拐点时，就出现了“拥堵”。密度扰动的传播速度不同于其中天体的运动速度，从而形成密度波。
由于密度波中物质引力的存在，恒星或分子云在接近密度波时会加速，而当离开时会减速，从而使他们在密度波附近逗留的时间相对较长，在整个星系的尺度上就会像正在上紧的发条，形成明显的旋臂结构。
恒星或分子云会继续沿着自己的轨道运行，随着银河系的自转穿越旋臂。因此，旋臂中的恒星或分子云并非一成不变，而是由不断穿越时驻足的不同恒星或分子云组成。
同时，分子云在穿越密度波时密度会增加，更容易发生坍缩，形成恒星；密度波扫过分子云时，会发生云云碰撞，形成冲击波，并加速分子云坍缩，形成恒星。
密度波理论的提出，使得人们不需要进行复杂的N体模拟就可以很好地理解旋涡星系的旋臂结构，巧妙地解释了星系旋臂结构的形成机制。
〇 密度波又是怎么产生的呢？
星系本身的不对称、伴星系的扰动和碰撞、暗物质晕和星系盘等都有可能对旋臂的产生和发展有一定影响，只是具体的影响如何还在研究之中。密度波一经形成，就可以在星系强大的自引力作用下放大和生长。
最近一项基于Gaia卫星对银河系10亿多颗恒星的距离和自行观测数据的研究就表明：银河系曾在80亿-110亿年前与一个巨大的伴星系发生过碰撞，这是银河系旋臂结构形成前迄今已知的最后一次大碰撞。而现在银河系的旋臂结构可能就是那次碰撞留下的“涟漪”。
一个让老百姓听起来也许觉得“可笑”的事实是，天文学家们一直为我们的银河系到底有几条旋臂争论不休。更“可笑”的是，争论的焦点不是百条、千条，而是区区的2条还是4条？难道全世界这么多聪明的天文学家，连一只手就能解决的数数都搞不定吗？
这对身处银河系旋臂中的我们还的确是个难题。天文学家努力尝试根据不同波段和手段获得的信息，而这其中，恒星、星云和正在形成恒星的分子云等的距离的精确测定是关键的关键。
广域红外巡天探测卫星（WISE）全天巡天的结果支持银河系是一个有4条旋臂的棒旋星系。其中从星系棒（Galactic Bar）的两端长出并缠绕着核球的两条旋臂——英仙臂（Perseus Arm）和盾牌-半人马臂（Scutum-Centaurus Arm）较为显著，而相比之下，人马臂（Sagittarius Arm）和矩尺-外臂（Norma-Outer Arm）中虽有大致相当的分子气体成分，但恒星数明显少于前两条旋臂。
| 图源：NASA/JPL-Caltech/ESO/R. Hurt (SSC-CALTECH)
BeSSeL计划：旋臂结构的精确测定
2009年中、美、德等国天文学家共同提出了一个雄心勃勃的“贝塞尔计划”（The Bar and Spiral Structure Legacy (BeSSeL) Survey）。没错，这是一个致敬先驱的计划，也是迄今为止国际上最大的精确测量银河系结构计划，需要安排5000小时的VLBA的观测时间。
贝塞尔计划 | 图源：http://bessel.vlbi-astrometry.org/
十年间，他们精确测量了几百个脉泽的视差和自行，确定了银河系多条旋臂的结构和运动学性质，并由此限定了银河系的基本参数及旋转曲线。
〇 本地臂：主旋臂还是刺？
太阳处在英仙臂和人马臂之间一些年轻恒星构成的物质团的最内侧，因为这些物质与猎户星座临近，常被称为猎户臂、猎户刺（Orion spur）或者本地臂（Local arm）。长期以来，天文界一直认为本地臂是银河系主旋臂上延伸出来的一段微小的次级结构。经典的密度波理论认为，银河系可能有4条主旋臂，本地臂所在区域是不可能存在主旋臂的。
左：Georgelin & Georgelin（1976）模型被广泛引用，奉为银河系结构的标准模型，在太阳附近只有零星物质存在（蓝色椭圆）；右:太阳附近大量的物质组成了一条新旋臂-本地臂（黄色圆弧），红色椭圆内的虚线为连接本地臂和人马臂的次结构。| 图源：A&A / Science Advance /紫金山天文台
BeSSeL团队根据脉泽视差测量的结果发现：在太阳附近脉泽的分布有点出人意料，它清楚地勾画出了一条长度超过25000光年，宽约3000光年，类似其它银河系主旋臂的结构，它位于英仙臂和人马臂之间，太阳就处于它的内侧——这就是银河系本地臂！本地臂上分布了丰富的大质量恒星形成区，数目远比人们以前认为的要多。同时，他们还发现了一条长约12000光年，像“鹊桥”一样连接了本地臂和人马臂的银河系内最长的次结构。
这是自1952年美国天文学家Morgan首次测量太阳附近银河系旋臂结构后，近70年来银河系旋臂结构研究取得的重大进展。它否定了国际天文界长期认为本地臂是主旋臂上一个微小的次级结构的观点，揭示了银河系可能不是类似M51那样单纯由宏伟的、规则的螺旋形主旋臂所组成的旋涡星系，而是类似NGC1232那样在主旋臂间有着次结构的复杂的旋涡星系，标志着精确测量银河系旋臂结构和运动已经成为现实。
该研究成果2016年9月被《科学进展》（Science Advances）作为亮点工作发表，被《科学》杂志评价为“以前所未有的细节”描绘了银河系内离我们最近的旋臂的结构。
到目前为止，BeSSeL项目已经精确测量200多个脉泽的距离和运动速度。其中最远一颗脉泽的距离为66000光年，穿过银河系中心直到银河系的对面区域。研究结果显示，银河系有5条物质格外稠密的旋臂，从银心向外依次是盾牌臂、人马臂、本地臂、英仙臂和外臂。我们的太阳系到银心的距离为27000光年，它以每秒240公里的速度绕银河系中心旋转，大约2亿5千万年转一圈。
根据迄今所有大质量恒星形成区三角视差测量结果（圆点）更新的银河系旋臂结构平面示意图。不同颜色的螺旋线代表不同的旋臂（实现表示中心，点线表示宽度）：3千秒差距臂、矩尺-外臂、盾牌-半人马臂、人马-船底臂、本地臂、英仙臂。⊙表示太阳的位置。| 图源：http://bessel.vlbi-astrometry.org
从简单到复杂，在精确测量银河系结构的路上，天文学家通过从整体结构到细节的研究，一步步丰富人类对自己家园的认识。我们完全有理由相信，随着观测技术和研究方法的不断进步，我们对银河系结构的认知将不断被更新，人类终将用智慧和勤奋描绘出银河系结构的“庐山真面目”。
参考资料
[1] Xu Y.; et al., 2006, Science 311, 54 “The Distance to the Perseus Spiral Arm in the Milky Way”
[2] Xu Y., et al., 2013, ApJ 769, 15 “On the Nature of the Local Spiral Arm of the Milky Way”
[3] Xu Y.; et al. 2016, Science Advances 2, 9 The local spiral structure of the Milky Way
[4] Reid M.J., et al. 2019, arXiv:1910.03357 “Trigonometric Parallaxes Of High-Mass Star Forming Regions: Our View Of The Milky Way”
作者简介
李晶晶：中国科学院紫金山天文台青海观测站副研究员。研究方向：银河系结构的精确测量，银河系分子云与恒星形成。
撰文：李晶晶
审核：徐烨、孙燕
编辑：王科超、高娜
