螺旋星系是如何得到“羽毛”的？星系中所有恒星的形成都發(fā)生在這些羽毛中。但是它們是如何形成的呢？

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荷蘭的安德烈·萬·德·霍德文結(jié)合了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡檔案中的不同數(shù)據(jù)集，創(chuàng)造了這張令人驚嘆的螺旋星系默西埃77的圖像。（圖片來源：安德烈·萬·德·霍德文/美國航天局/歐洲航天局）

銀河系類星系呈現(xiàn)出的不僅僅是螺旋狀的氣團(tuán)；它們還有羽毛，成群的新星就是在羽毛上誕生的。天文學(xué)家一直對這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的形成方式感到極度困惑，一個(gè)研究小組大膽猜測，可能有一種簡單的原理：重力，宇宙重力。

一個(gè)多世紀(jì)以來，天文學(xué)家一直驚嘆于螺旋星系的紛繁炫麗。最大的“大設(shè)計(jì)”螺旋可以容納十幾個(gè)至更多的機(jī)械獨(dú)立臂。最近，用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的詳細(xì)、高分辨率觀測揭示了后續(xù)內(nèi)容。單臂可以繞星系旋轉(zhuǎn)數(shù)萬光年。但天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，裝飾這些臂狀結(jié)構(gòu)的是許多被稱為羽毛的小細(xì)處特征。這些羽毛比手臂小得多，長度不超過幾千光年。但它們的密度非常大——比大臂密度大得多。它們也是強(qiáng)大的恒星形成的家園。在羽毛中，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了年輕的星團(tuán)和巨大的中性氫團(tuán)。事實(shí)上，一個(gè)星系中許多——甚至大多數(shù)——恒星的形成都集中在這些羽毛中。

仙女座的矮星系是如何形成的？哈勃望遠(yuǎn)鏡總能表現(xiàn)出發(fā)現(xiàn)問題的天賦，在古老的恒星托兒所里，一些嬰兒恒星誕生在“蓬松的”宇宙毯子里。

起初，天文學(xué)家認(rèn)為羽毛是大型設(shè)計(jì)螺旋的特征。而且越來越多的證據(jù)表明，幾乎所有的螺旋星系，包括銀河系，都有羽毛。一個(gè)星系是如何得到這些羽毛的呢？隨著天文學(xué)家提出各種模型來解釋羽毛的形成邏輯，爭論如雨后春筍般涌現(xiàn)。羽毛相對較小，至少在銀河系范圍上，它們的數(shù)量涌現(xiàn)了很多。我們認(rèn)為，在一個(gè)相對復(fù)雜的過程中構(gòu)建了雛形。例如，超新星爆炸塑造了旋臂上的羽毛，像雕塑一樣雕刻在氣體中。微弱但巨大的磁場自身扭曲形成了絲狀結(jié)構(gòu)。但在《天文學(xué)與天體物理學(xué)》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)新研究中，天文學(xué)家為它們的成因提出了一個(gè)簡單得多的原因：引力，宇宙重力。

突發(fā)太空新聞，火箭發(fā)射的最新更新，觀星事件等！這張由美國宇航局的斯皮策和哈勃太空望遠(yuǎn)鏡以及美國宇航局的星系演化探測器拍攝的合成照片中，被稱為默西埃81或M81的螺旋星系看起來非常清晰。

（圖片來源：美國航天局/噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室-加州理工學(xué)院/歐洲航天局/哈佛-史密森尼天體物理中心.）

為了驗(yàn)證這一假設(shè)，研究小組制造了一個(gè)非常簡單的模擬星系。這個(gè)模擬星系不包含任何恒星或物質(zhì)團(tuán)塊，也不涉及超新星或磁場。它只是一個(gè)簡單的，旋轉(zhuǎn)的氣體盤。然后，他們讓這個(gè)氣體盤在自身重力下演化，看看羽毛是否自然出現(xiàn)。

他們做到了。在很短的時(shí)間內(nèi)，模擬的氣體盤分裂成一系列嵌套的細(xì)絲，就像觀察到的羽毛一樣——不需要復(fù)雜的物理變化過程。因?yàn)闅怏w盤不穩(wěn)定的狀態(tài)，任何微小的團(tuán)塊即使能存在都很容易坍塌。這種自然的傾斜，加上氣體不斷旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了小而細(xì)長的結(jié)構(gòu)——羽毛。

——詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡以驚人的細(xì)節(jié)觀察了19個(gè)復(fù)雜的星系結(jié)構(gòu)（圖片）

——我們的銀河系并不總是螺旋狀的。這是它如何改變形狀的。

——哈勃望遠(yuǎn)鏡探測到了一個(gè)巨大的宇宙結(jié)構(gòu)的一部分——引人注目的螺旋星系

然后，研究人員將模擬星系中產(chǎn)生的羽毛與觀測到的實(shí)際羽毛進(jìn)行了比較。他們在大小、形狀和密度上發(fā)現(xiàn)了普遍的一致。模擬的星系看起來一點(diǎn)也不像真實(shí)的星系。但這就是問題的關(guān)鍵：研究人員想要研究簡單的物理學(xué)——僅僅是重力本身——是否能產(chǎn)生羽毛。似乎是這樣，但真正的測試將是在模擬中引入更復(fù)雜的物理特性。這是因?yàn)橄癯滦呛痛艌鲞@樣的東西確實(shí)會(huì)影響螺旋星系的演化，它們可能會(huì)破壞宇宙重力驅(qū)動(dòng)的羽毛——結(jié)果是我們又將回到原點(diǎn)。

盡管如此，這是一個(gè)很有希望的假設(shè)，它表明大自然造物之神奇，完全有能力使用簡單的物理來創(chuàng)造復(fù)雜的仿生結(jié)構(gòu)，即使是在銀河系的范圍內(nèi)。

BY:Paul Sutter

FY: Jane

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