星系的旋臂是怎么来的？

图1. 旋涡星系M51和它的伴星系，可以看到两条明显的旋臂。  

（图片来源：北京天文馆2020天文摄影师大赛；作者：姚慷）  

很多星系都有漂亮的旋臂。这些旋臂是怎么形成的呢？很多人会认为，旋臂是由固定的大量恒星、星际气体和尘埃组成的，旋臂里的天体会几乎一直聚在一起绕星系中央旋转。  

1942年，瑞典科学家林德布拉德否定了这种说法，提出了密度波理论。1963年，天文学家林家翘和徐遐生等人发展了密度波理论。该理论认为，旋臂不是由固定物质组成的，而是一种运动的波动现象，此波是大尺度物质分布维持与自引力平衡的一种密度波。恒星和物质在绕星系中心旋转时，绕转速度和空间密度都是波动变化的，当它们进入引力势能较低的区域时速度变慢，物质显得密集，波密度极大的波峰处就呈现为旋臂的图像。  

为了便于理解，可以把恒星与汽车的运行类比，把恒星想象为运动在圆形公路上各个不同车道上的汽车。如图2所示，假定因修路关闭了一条车道中的某个路段，这个区域交通堵塞会使汽车密度增加，但是汽车最拥挤的区域不是由相同汽车组成的，也就是说，每辆汽车都通过了拥挤的地方。  

图2. 密度波理论示意图  

（图片来源：《基础天文学》，刘学富主编）  

星系的旋臂就像是修路工程的工地，其旋转的速度（工程的推进速度）完全不同于单颗恒星的速度（每辆车的速度）。所以，构成旋臂的恒星、气体、尘埃等物质并不是固定的，而是有进有出的。我们的太阳目前位于猎户臂上，若干年之后，将会离开猎户臂，进入旋臂之间更为空旷的星际空间。  

（本回答主要参考了刘学富老师主编的《基础天文学》）