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不用望遠鏡的天文學—M51星系


  這是「M51」渦狀星系,和多數螺旋星系一樣,它的旋臂,其實是由密度波構成的。這些密度波所產生的拖曳拉力,可能驅動著星系的「獨立」演化:意思是說,並不需要和另一個星系碰撞或吞併,它自己獨立的進行著一場演化。圖片來源:NASA-HST

  傳統的星系演化模型都這麼說,一切,從螺旋星系開始 – 吞掉較小的矮星系,於是它變大,否則,它安分的保持螺旋原狀。只有當這些星系與另一個同樣大小的星系發生碰撞時,我們才會看到它變成不規則的、類似火車殘骸的形狀,最終,則回歸平靜於:一個橢圓形。至於在橢圓星系裡呢,所有恆星軌道就隨機了,不像我們在螺旋星系所看到的那樣,大家都在一個扁平的銀盤上順著一條狹窄的軌道繞行。

  一種「獨立」星系演化的概念,則挑戰了既有的思維 – 這裡的「獨立」指的是,單獨或孤立的意思。這種「獨立」論的說法認為,星系可按照「哈柏序列」自自然然的演化(從螺旋至橢圓形),既不需合併,也不用碰撞來改變它們形狀長相如何。

  很明顯,星系是會碰撞的 – 並且產生了許多不規則星系的形狀,這也是我們從觀測就可以看到的,但不難想像,一個孤立的螺旋星系的形狀,可能,也會朝向演化、或說是退化為橢圓星系發展 - 只要它們具備良好的、向外移轉角動量的機制就行。

  標準的螺旋星系,有著平坦的盤面形狀,這是它自旋的結果,自旋可能來自於它起始的狀態。就像把披薩麵團旋轉拋向空中,麵團會形成一個盤子的形狀,同理,自旋,也會引起聚合的質量,以盤子狀成形。而按照角動量守恆的原理,盤子形狀,應該會沒完沒了的持續下去,除非這個星系因某種緣故失去了它的自旋。碰撞,是其中一種可能 - 或是質量、角動量發生向外的交換 - 就像溜冰選手將手臂伸展向外,會使旋轉速度趨緩一樣。

  此時,密度波扮演著重要的角色。在銀盤上普遍可見的旋臂,並非一成不變的結構,其實,是密度波將一群運動中的恆星暫時的綁在一起。而密度波的生成原因,可能是源自於個別恆星磁盤間,軌道共振的結果。



  左:銀盤上橢圓軌道的恆星排在一起,引起重力共振,這是密度波可能的生成來源。右:密度波成為運動中恆星臨時被捆綁在一起的原因 – 是這件事情讓密度波看起來有了結構,不過被綁住的恆星和氣體只是暫時被集中在一起而已,合在一起一陣子之後,它們會分開,各走各的路。

  有此一說這麼說:密度波代表著,對盤面自旋帶來煞車效果的無碰撞震波。然而,由於盤面煞車的減速只發生在其本身系統內,角動量守恆仍然是在獨立的系統中。

  每個銀盤,都有一個共轉半徑 – 剛好在共轉半徑這一點上的時候,各個恆星以等同於密度波的同一軌道速度旋轉,(這也就是我們所觀察到的所謂「旋臂」)。在這個半徑以內,恆星運動速度比密度波更快 – 而超過這個共轉半徑以外,恆星運動的速度,比密度波更慢。

  這,或許就可以解釋密度波為什麼是螺旋形狀的 – 並且也為角動量向外移轉提供一個機制了。共轉半徑以內,當恆星們推擠著通過密度波時,失去了一些角動量- 因而也將波向前推進了。在共轉半徑以外,密度波則拖拉著一整團移動速度緩慢的恆星 – 這時,要拖拉諸位恆星的密度波,則放棄了它的角動量。

  結果是,外圍區的恆星被更進一步向外拋出,這使它們的軌道可以更隨機 - 而非被迫按照星系平面的平均軌道進行運動。而藉由這種方式,一個緊密結合、快速旋轉的螺旋星系就可以逐漸發展為外形平順的橢圓狀星系了。




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