银河系的旋臂是怎么形成的?最好有物理推导过程和分析

银河系的旋臂是怎么形成的?最好有物理推导过程和分析
银河系的旋臂是怎么形成的?
最好有物理推导过程和分析

银河系的旋臂是怎么形成的?最好有物理推导过程和分析
你是问是旋臂的起源还是旋臂的维持呢?维持的话,有密度波理论可以解释.
如果是旋臂起源的话,一般认为在旋涡星系形成时就已经有了旋臂结构,而且和星系形成时具有角动量有关,至于这种角动量如何形成旋臂,目前只能靠数值模拟进行研究,还没有成型理论.

不知道你能理解吗？整个银河系是一个磁共振场，旋臂是在磁共振带上，所以，旋臂是恒星活跃的地方。也可以这样来理解，恒星就是在磁共振带上形成的。

银河系是太阳系所在的恒星系统，包括一千二百亿颗恒星和大量的星团、星云，还有各种类型的星际气体和星际尘埃。它的总质量是太阳质量的1400亿倍。在银河系里大多数的恒星集中在一个扁球状的空间范围内，扁球的形状好像铁饼。扁球体中间突出的部分叫“核球”，半径约为7千光年。核球的中部叫“银核”，四周叫“银盘”。在银盘外面有一个更大的球形，那里星少，密度小，称为“银晕”，直径为7万光年。银河系是一个旋涡星系，具...

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银河系是太阳系所在的恒星系统，包括一千二百亿颗恒星和大量的星团、星云，还有各种类型的星际气体和星际尘埃。它的总质量是太阳质量的1400亿倍。在银河系里大多数的恒星集中在一个扁球状的空间范围内，扁球的形状好像铁饼。扁球体中间突出的部分叫“核球”，半径约为7千光年。核球的中部叫“银核”，四周叫“银盘”。在银盘外面有一个更大的球形，那里星少，密度小，称为“银晕”，直径为7万光年。银河系是一个旋涡星系，具有旋涡结构，即有一个银心和两个旋臂，旋臂相距4500光年。其各部分的旋转速度和周期，因距银心的远近而不同。太阳距银心约2.3万光年，以220～250千米/秒的速度绕银心运转，运转的周期约为2.4亿年。 银河系物质约90％集中在恒星内 。恒星的种类繁多。按照恒星的物理性质、化学组成、空间分布和运动特征，恒星可以分为5个星族。最年轻的极端星族Ⅰ恒星主要分布在银盘里的旋臂 银河系
上；最年老的极端星族Ⅱ恒星则主要分布在银晕里。恒星常聚集成团。除了大量的双星外，银河系里已发现了1000多个星团。银河系里还有气体和尘埃，其含量约占银河系总质量的10％，气体和尘埃的分布不均匀，有的聚集为星云，有的则散布在星际空间。20世纪60年代以来，发现了大量的星际分子，如一氧化碳、水等 。分子云是恒星形成的主要场所。银河系核心部分，即银心或银核，是一个很特别的地方。它发出很强的射电、红外，X射线和γ射线辐射。其性质尚不清楚，那里可能有一个巨型黑洞，据估计其质量可能达到太阳质量的250万倍。对于银河系的起源和演化，知之尚少。 1971年英国天文学家林登·贝尔和马丁·内斯分析了银河系中心区的红外观测和其他性质，指出银河系中心的能源应是一个黑洞，并预言如果他们的假说正确，在银河系中心应可观测到一个尺度很小的发出射电辐射的源，并且这种辐射的性质应与人们在地面同步加速器中观测到的辐射性质一样。三年以后，这样的一个源果然被发现了，这就是人马A。 人马A有极小的尺度，只相当于普通恒星的大小，发出的射电辐射强度为2*10（34次方）尔格/秒，它位于银河系动力学中心的0.2光年之内。它的周围有速度高达300公里/秒的运动电离气体，也有很强的红外辐射源。已知所有的恒星级天体的活动都无法解释人马A的奇异特性。因此，人马A似乎是大质量黑洞的最佳候选者。但是由于目前对大质量的黑洞还没有结论性的证据，所以天文学家们谨慎地避免用结论性的语言提到大质量的黑洞。我们的银河系大约包含两千亿颗星体，其中恒星大约一千多亿颗，太阳就是其中典型的一颗。银河系是一个相当大的螺旋状星系，它有三个主要组成部分：包含旋臂的银盘，中央突起的银心和晕轮部分。 螺旋星系M83，它的大小和形状都很类似于我们的银河系。银盘外面是由稀疏的恒星和星际物质组成的球状体，称为银晕，直径约10万光年。 银河系有4条旋臂，分别是人马臂，猎户臂，英仙臂，天鹅臂。太阳位于猎户臂内侧。旋臂主要由星际物质构成。银河系也有自转。太阳系以每秒250千米速度围绕银河中心旋转，旋转一周约2.2亿年。银河系有两个伴星系：大麦哲伦星系和小麦哲伦星系。与银河系相对的称之为河外星系。 一般认为，银河系中的恒星多为双星或聚星。而2006年新的发现认为，银河系的主序星中2/3都是单星。
结构
观测到的银河旋臂结构
银河系的总体结构是：银河系物质的主要部分组成一个薄薄的圆盘，叫做银盘，银盘中心隆起的近似于球形的部分叫核球。在核球区域恒星高度密集，其中心有一个很小的致密区，称银核。银盘外面是一个范围更大、近于球状分布的系统，其中物质密度比银盘中低得多，叫作银晕。银晕外面还有银冕，它的物质分布大致也呈球形。 观测到的银河旋臂结构2005年，银河系被发现以哈柏分类来区分应该是一个巨大的棒旋星系SBc(旋臂宽松的棒旋星系)，总质量大约是太阳质量的6,000亿至30,000亿倍。有大约1,000亿颗恒星。 从80年代开始，天文学家才怀疑银河是一个棒旋星系而不是一个普通的螺旋星系。2005年，斯必泽空间望远镜证实了这项怀疑，还确认了在银河的核心的棒状结构与预期的还大。 银河的盘面估计直径为98,000光年，太阳至银河中心的距离大约是28,000光年，盘面在中心向外凸起。 银河的中心有巨大的质量和紧密的结构，因此强烈怀疑它有超重质量黑洞，因为已经有许多星系被相信有超重质量黑洞在核心。 就像许多典型的星系一样，环绕银河系中心的天体，在轨道上的速度并不由与中心的距离和银河质量的分布来决定。在离开了核心凸起或是在外围，恒星的典型速度是每秒钟210～240公里之间。因此这星恒星绕行银河的周期只与轨道的长度有关，这与太阳系不同，在太阳系，距离不同就有不同的轨道速度对应著。 银河的棒状结构长约27,000光年，以44±10度的角度横亘在太阳与银河中心之间，他主要由红色的恒星组成，相信都是年老的恒星。 被观察到与推论的银河旋臂结构每一条旋臂都给予一个数字对应(像所有旋涡星系的旋臂)，大约可以分出100段。相信有四条主要的旋臂起源自银河的核心，它们的名称如下： 被观察到与推论的银河旋臂结构
2 and 8 - 3kpc 和 英仙臂 3 and 7 - 距尺臂 和 天鹅臂 (与最近发现的延伸在一起 - 6) 4 and 10 - 南十字座 和 盾牌臂 5 and 9 - 船底座 和 人马臂 至少还有两个小旋臂或分支，包括： 11 - 猎户臂 (包含太阳和太阳系在内 - 12) 最新研究发现银河系可能只有两条主要旋臂，人马臂和矩尺臂绝大部分是气体，只有少量恒星点缀其中。 谷德带（本星团）是从猎户臂一端伸展出去的一条亮星集中的带，主要成员是B2～B5型星 。也有一些O型星 ，弥漫星云和几个星协，最靠近的OB星协是天蝎-半人马星协，距离太阳大约400光年。 在主要的旋臂外侧是外环或称为麒麟座环，这是天文学家布赖恩·颜尼 (Brian Yanny)和韩第·周·纽柏格(Heidi Jo Newberg)提出，是环绕在银河系外由恒星组成的环，其中包括在数十亿年前与其他星系作用诞生的恒星和气体。 银河的盘面被一个球状的银晕包围著，估计直径在250,000至400,000光年。.由于盘面上的气体和尘埃会吸收部分波长的电磁波，所以银晕的组成结构还不清楚。盘面(特别是旋臂)是恒星诞生的活跃区域，但是银晕中没有这些活动，疏散星团也主要出现在盘面上。 一般认为，银河系中的恒星多为双星或聚星。而2006年新的发现认为，银河系的主序星中2/3都是单星。 银河中大部分的质量是暗物质，形成的暗银晕估计有6,000亿至3兆个太阳质量，以银核为中心被聚集著。 新的发现使我们对银河结构与维度的认识有所增加，比早先经由仙女座星系(M31)的盘面所获得的更多。最近新发现的证据，证实外环是由天鹅臂延伸出去的，明确的支持银河盘面向外延伸的可能性。人马座矮椭球星系的发现，与在环绕著银极的轨道上的星系碎片，说明了他因为与银河的交互作用而被扯碎。同样的，大犬座矮星系也因为与银河的交互作用，使得残骸在盘面上环绕著银河。 在2006年1月9日， Mario Juric和普林斯顿大学的一些人宣布，史隆数位巡天在北半球的天空中发现一片巨大的云气结构(横跨约5,000个满月大小的区域)位在银河之内，但似乎不合于目前所有的银河模型。他将一些恒星汇聚在垂直于旋臂所在盘面的垂在线，可能的解释是小的矮星系与银河合并的结果。这个结构位于室女座的方向上，距离约30,000光年，暂时被称为室女恒星喷流。 在2006年5月9日， Daniel Zucker 和 Vasily Belokurov宣布史隆数位巡天在猎犬座和牧夫座又发现了两个矮星系。
银盘
银盘（Galactic disk）：银河系中，由恒星、尘埃和气体组成的扁平盘. 银河系的物质密集部分组成一个圆盘，称为银盘。银盘中心隆起的球状部分称核球。核球中心有一个很小的致密区，称银核。银盘外面范围更大、近于球状分布的系统，称为银晕，其中的物质密度比银盘的低得多。银晕外面还有物质密度更低的部分，称银冕，也大致呈球形。银盘直径约25千秒差距，厚1～2秒差距，自中心向边缘逐渐变薄，太阳位于银盘内，离银心约8.5千秒差距，在银道面以北约8秒差距处 。银盘内有旋臂，这是气体、尘埃和年轻恒星集中的地方。银盘主要由星族Ⅰ天体组成，如G～K型主序星、巨星、新星 、行星状星云、天琴RR变星、长周期变星、半规则变星等。核球是银河系中心恒星密集的区域 ，近似于球形 ，直径约4千秒差距，结构复杂。核球主要由星族Ⅱ天体组成，也有少量星族Ⅰ天体 。核球的中心部分是 银 核 。它发出很强的射电、红外、X射线和γ射线 。其性质尚不清楚 ，可能包含一个黑洞。银晕主要由晕星族天体，如亚矮星、贫金属星、球状星团等组成，没有年轻的O、B型星，有少量气体。银晕中物质密度远低于银盘。银晕长轴直径约30千秒差距 ，年龄约1010年，质量还不十分清楚。在银晕的恒星分布区以外的银冕是一个大致呈球形的射电辐射区，其性质了解得甚少。 1785 年， F.W.赫歇尔第一个研究了银河系结构 。他用恒星计数方法得出银河系恒星分布为扁盘状、太阳位于盘面中心的结论。1918年，H.沙普利研究球状星团的空间分布 ，建立了银河系透镜形模型，太阳不在中心。到了20世纪20年代，沙普利模型得到公认。但由于未计入星际消光，沙普利模型的数值不准确 。研究银 河系结构传统上是用光学方法，但光学方法有一定的局限性。近几十年来发展起来的射电方法和红外技术成为研究银河系结构的强有力的工具。在沙普利模型的基础上，对银河系的结构已有了较深刻的了解。 银盘是银河系的主要组成部分，在银河系中可探测到的物质中，有九成都在银盘范围以内。银盘外形如薄透镜，以轴对称形式分布于银心周围，其中心厚度约1万光年，不过这是微微凸起的核球的厚度，银盘本身的厚度只有2000光年，直径近10万光年，可见总体上说银盘非常薄。 除了1000秒差距范围内的银核绕银心作刚体转动外，银盘的其他部分都绕银心作较差转动，即离银心越远转得越慢。银盘中的物质主要以恒星形式存在，占银河系总质量不到10％的星际物质，绝大部分也散布在银盘内。星际物质中，除含有电离氢、分子氢及多种星际分子外，还有10％的星际尘埃，这些直径在1微米左右的固态微粒是造成星际消光的主要原因，它们大都集中在银道面附近。 由于太阳位于银盘内，所以我们不容易认识银盘的起初面貌。为了探明银盘的结构，根据本世纪40年代巴德和梅奥尔对旋涡星系M31（仙女座大星云）旋臂的研究得出旋臂天体的主要类型，进而在银河系内普查这几类天体，发现了太阳附近的三段平行臂。由于星际消光作用，光学观测无法得出银盘的总体面貌。有证据表明，旋臂是星际气体集结的场所，因而对星际气体的探测就能显示出旋臂结构，而星际气体的21厘米射电谱线不受星际尘埃阻挡，几乎可达整个银河系。光学与射电观测结果都表明，银盘确实具有旋涡结构。
银心
星系的中心凸出部分，是一个很亮的球状，直径约为两万光年，厚一万光年，这个区域由高密度的恒 星组成，主要是年龄大约在一百亿年以上老年的红色恒星，很多证据表明，在中心区域存在着一个巨大的黑洞，星系核的活动十分剧烈。银河系的中心，即银河系的自转轴与银道面的交点。 银心在人马座方向，1950年历元坐标为：赤经174229，赤纬 -28°5918。银心除作为一个几何点外，它的另一含义是指银河系的中心区域。太阳距银心约10千秒差距，位于银道面以北约8秒差距。银心与太阳系之间充斥著大量的星际尘埃，所以在北半球用光学望远镜难以在可见光波段看到银心。射电天文和红外观测技术兴起以后，人们才能透过星际尘埃，在2微米到73厘米波段，探测到银心的信息。中性氢21厘米谱线的观测揭示，在距银心4千秒差距处o有氢流膨胀臂，即所谓“三千秒差距臂”(最初将距离误定为3千秒差距，后虽订正为 4千秒差距，但仍沿用旧名)。大约有 1，000万个太阳质量的中性氢，以每秒53公里的速度涌向太阳系方向。在银心另一侧，有大体同等质量的中性氢膨胀臂，以每秒135公里的速度离银心而去。它们应是1，000万至1，500万年前，以不对称方式从银心抛射出来的。在距银心 300秒差距的天区内，有一个绕银心快速旋转的氢气盘，以每秒70～140公里的速度向外膨胀。盘内有平均直径为 30秒差距的氢分子云。 在距银心70秒差距处，则有激烈扰动的电离氢区，也以高速向外扩张。现已得知，不仅大量气体从银心外涌，而且银心处还有一强射电源，即人马座A，它发出强烈的同步加速辐射。甚长基线干涉仪的探测表明，银心射电源的中心区很小，甚至小于10个天文单位，即不大于木星绕太阳的轨道。12.8微米的红外观测资料指出，直径为1秒差距的银核所拥有的质量，相当于几百万个太阳质量，其中约有100万个太阳质量是以恒星形式出现的。腥巳衔?o银心区有一个大质量致密核，或许是一个黑洞。流入致密核心吸积盘的相对论性电子，在强磁场中加速，于是产生同步加速辐射。银心气体的运动状态、银心强射电源以及有强烈核心活动的特殊星系(如塞佛特星系)的存在，使我们认为：在星系包括银河系的演化史上，曾有过核心激扰活动，这种活动至今尚未停息。
银晕
银河晕轮弥散在银盘周围的一个球形区域内，银晕直径约为九万八千光年，这里恒星的密度很低，分布着一些由老年恒星组成的球状星团，有人认为，在银晕外面还存在着一个巨大的呈球状的射电辐射区，称为银冕，银冕至少延伸到距银心一百千秒差距或三十二万光年远。 银河系是一个透镜形的系统，直径约为25千秒差距，厚约为1～2千秒差距。它的主体称为银盘。高光度星、银河星团和银河星云组成旋涡结构迭加在银盘上。银河系中心为一大质量核球，长轴长4～5千秒差距，厚4千秒差距。银河系为直径约30千秒差距的银晕笼罩。银晕中最亮的成员是球状星团。银河系的质量为1.4×1011太阳质量，其中恒星约占90％，气体和尘埃组成的星际物质约占10％。 银河系整体作较差自转。太阳在银道面以北约8秒差距处距银心约10千秒差距，以每秒250公里速度绕银心运转，2.5亿年转一周。太阳附近物质（恒 星和星际物质）的总密度约为0.13太阳质量/秒差距3或 8.8×10-24克/厘米3。银河系是一个Sb或Sc型旋涡星系， 拥有一、二千亿颗恒星，为本星系群中除仙女星系外最大的巨星系。它的视绝对星等为Mv=-20.5。它以 1010年 的时间尺度演化。

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