Spiral Arms and Barred Galaxies

旋臂和棒状星系

螺旋图案的形成理论以及棒状结构在重新分配气体和恒星中的作用

星系通常呈现出令人印象深刻的旋臂结构或中心棒——这些动态特征吸引了专业天文学家和业余观星者。在 螺旋星系，臂部描绘出围绕中心旋转的明亮恒星形成区域，而 棒旋星系 挥舞着穿过星系核的细长恒星特征。这些结构并非静态的点缀，而是反映了盘内持续的引力物理、气体流动和恒星形成过程。在本文中，我们将探索螺旋图案的形成和持续性、星系棒的意义，以及这两种现象如何影响宇宙时间尺度上气体、恒星和角动量的分布。

1. 螺旋臂：概述

1.1 观察特征

螺旋星系通常呈盘状，有突出的臂从中心核球向外延伸。这些臂通常 蓝色的 或者 明亮的 在光学图像中，突出了活跃的恒星形成。根据观察，我们将这些螺旋星系分类为：

  • 宏伟设计螺旋：少数轮廓分明、连续的臂清晰地延伸到圆盘周围（e.g.，M51，NGC 5194）。
  • 絮状螺旋：许多不完整的片段，没有明显的整体结构（e.g.，NGC 2841）。

武器是 哈 二区、年轻星团和分子气体复合体，强调它们在维持新恒星种群方面的关键作用。

1.2 缠绕问题

一个迫在眉睫的挑战是，银河盘中的差异旋转应该导致任何固定模式 结束 理论上，在几亿年的时间尺度上，手臂会迅速地扩散开来。然而，观测表明 螺旋结构 持续时间更长，表明这些臂不仅仅是随恒星旋转的物质臂，而是 密度波 或者以不同于盘中单个恒星和气体的速度移动的模式[1]。

2. 螺旋图案的形成理论

2.1 密度波理论

在 密度波理论 20 世纪 60 年代，林建国和舒凤华提出，螺旋臂是 准驻波 在银河盘中。要点：

  1. 波浪图案：臂是密度较高的区域（就像高速公路上的交通堵塞），其移动速度比恒星的轨道速度慢。
  2. 恒星形成触发器：当气体进入旋臂的高密度区域时，它会被压缩，从而引发恒星的形成。由此产生的明亮新恒星照亮了旋臂。
  3. 长寿命结构：这种模式的长寿源于旋转盘中引力不稳定性波状解 [2]。

2.2 摆动放大

摆动放大 是数值模拟中经常提到的另一种机制。由于旋转盘中密度过大的斑块会剪切，重力会在某些条件下（与Toomre的Q参数、盘剪切和盘厚度相关）将其放大。这种放大会触发螺旋状图案的生长，有时会保持整体设计形态，有时又会形成多个旋臂段[3]。

2.3 潮汐诱发的螺旋

在一些星系中， 潮汐相互作用 或小型合并可以诱发强烈的螺旋特征。伴星的引力会扰动星盘，形成或增强螺旋臂。像 M51 （涡状星系）呈现出特别宏大的螺旋状结构，似乎是由与卫星星系的持续相互作用所驱动的[4]。

2.4 絮凝剂与宏伟设计

  • 宏伟设计 螺旋通常与密度波解决方案一致，可能通过驱动全球模式的相互作用或条形得到加强。
  • 絮状物 螺旋可能源于局部不稳定性以及持续形成和消散的短寿命剪切波。重叠的波会在整个盘面上形成更加混乱的结构。

3. 螺旋星系中的棒状结构

3.1 观察特征

一个 酒吧 是一个 线性或椭圆形 穿过星系中心区域的恒星聚集，连接内盘的两侧。大约三分之二的观测螺旋是 禁止 （e.g.，哈勃分类中的SB星系，例如我们自己的银河系）。条形图：

  • 延长 从凸起或核进入椎间盘。
  • 旋转 大致像一个刚体，类似于波浪图案。
  • 主持人 强烈的恒星形成环或核活动，其中棒驱动的流入物收集气体[5]。

3.2 形成与稳定性

动态不稳定性 如果旋转的圆盘具有足够的自引力，它就能自发地形成一个棒状结构。这些过程包括：

  1. 角动量重新分配：条状结构可以促进圆盘（和晕）不同部分之间的角动量交换。
  2. 暗物质晕相互作用：晕可以吸收或转移角动量，影响棒的生长或溶解。

一旦形成，棒状结构通常会持续数十亿年，尽管强烈的相互作用或共振效应会改变棒状结构的强度。

3.3 杆驱动气体流动

酒吧的主要作用是 将气体向内漏斗：

  • 沙洲尘带冲击波：气体云受到引力扭矩，失去角动量，并向星系中心漂移。
  • 恒星形成的燃料：这种流入可以积聚在环状共振区或核球周围，为核星暴或活动星系核提供燃料。

因此，这样的棒状结构可以有效地调节核球和中心黑洞的生长，将盘面动力学与核活动联系起来[6]。

4. 螺旋臂和螺旋棒：耦合动力学

4.1 共振和模式速度

条形臂和螺旋臂经常 共存 在同一个星系。酒吧的 图案速度 （棒作为刚性波的旋转频率）可以与圆盘的轨道频率产生共振，可能锚定或对齐从棒末端发出的螺旋臂：

  • 流形理论：一些模拟表明，棒星系中的螺旋臂可以形成从棒尖端发出的流形，从而形成与棒的旋转相关的宏大设计结构 [7]。
  • 内在和外在的共振：条端共振可以形成环状特征或过渡区，将条驱动的流入与螺旋波区域融合。

4.2 钢筋强度和螺旋维护

强大的棒状结构可以放大螺旋图案，或者在某些情况下，有效地重新分配气体，使星系演化成形态类型（e.g.，从晚期螺旋星系到早期具有大凸起的星系）。一些星系表现出周期性的棒状螺旋相互作用——棒状结构可以在宇宙时间尺度上减弱或增强，从而改变旋臂的突出程度。

5.观察证据和案例研究

5.1 银河系的棒状结构和臂状结构

我们的银河系是一个 棒旋，其中心棒长度为几千秒差距，并有多个螺旋臂由分子云追踪，H II区和OB型恒星。红外巡天证实了棒状结构位于尘埃后方，而射电/一氧化碳观测则揭示了沿着棒状尘埃带的大量气体流动。详细的模型支持棒状结构持续驱动气体流入核心区域的设想。

5.2 具有强棒的外部星系

星系 NGC 1300 或者 NGC 1365 展示了连接清晰旋臂的显著棒状结构。对尘埃带、恒星形成环和分子气体流的观测证实了棒状结构在角动量传输中的作用。在一些棒状星系中，棒状结构末端平滑地融入螺旋结构，揭示出共振极限结构。

5.3 潮汐螺旋及其相互作用

类似的系统 M51 展示了较小的伴星如何增强并维持两条强劲的旋臂。差异自转加上周期性的引力，形成了天空中最具标志性的宏伟螺旋之一。对这些“潮汐力”螺旋的研究，支持了外部扰动可以强化或锁定螺旋模式的观点[8]。

6. 星系演化和长期过程

6.1 通过条形图进行长期进化

随着时间的推移， 酒吧 可以开车 长期（渐进）进化：气体在星系核或伪核中聚集，恒星形成重塑星系中心结构，棒状结构强度可能增强或减弱。这种“缓慢”的形态演变不同于大型合并的突然转变，展现了星系盘内部动力学如何从内部演化出螺旋[9]。

6.2 恒星形成规律

螺旋臂，无论是由密度波还是局部不稳定性驱动，都充当着新恒星的工厂。穿过螺旋臂的气体被压缩，并引发恒星形成。棒状结构可以通过向内输送额外的气体来进一步加速这一过程。数十亿年来，这些过程可以形成恒星盘，丰富星际介质，并为星系中心的黑洞提供能量。

6.3 与凸起增长和活动星系核的联系

条状驱动的流入可以在核心附近积聚大量气体，可能引发 活动星系核 如果气体被输送到中心超大质量黑洞，就会发生一系列事件。反复发生的棒状结构形成或破坏可以塑造核球的特性，形成一个 假凸起 具有盘状运动学特征，而经典的凸起则通过合并形成。

7. 未来的观察和模拟

7.1 高分辨率成像

下一代天文台（e.g.，极大望远镜， 南希·格雷斯·罗曼太空望远镜) 将提供更详细的棒旋星系近红外成像，揭示恒星形成环、尘埃带和气体流动。这些数据将完善不同红移条件下棒旋星系演化的模型。

7.2 积分场光谱学

IFU 调查（e.g., 漫画， 萨米）测量了星系盘的速度场和化学丰度，提供了棒状结构和臂状结构的二维运动学图。这些数据阐明了流入、共振和恒星形成的触发因素，凸显了棒状结构和螺旋波在促进星系盘生长方面的协同作用。

7.3 高级磁盘模拟

最先进的流体动力学模拟（e.g., 火， 伊拉斯崔斯TNG 亚网格盘模型旨在自洽地捕捉棒状和螺旋状的形成，包括来自恒星形成和黑洞的反馈。将这些模拟结果与观测到的螺旋星系进行比较，有助于完善我们的长期演化、棒寿命和形态转变理论 [10]。

8. 结论

螺旋臂 和 酒吧 螺旋臂是盘状星系演化核心的动态结构，体现了引力波模式、共振和气体内流，它们调节恒星形成并塑造星系形态。无论是由自持密度波、摆动放大还是潮汐碰撞产生的，螺旋臂都为星系盘注入了活力，使恒星形成沿着优美的弧线进行。与此同时，棒状结构则充当着角动量重新分配的强大“引擎”，驱动气体向内流动，为核球和中心黑洞提供养分。

综上所述，这些特征表明星系并非静止不动，而是在宇宙时间中持续运动——无论是内部还是外部。随着我们持续绘制棒状共振、螺旋密度波和恒星群演化之间错综复杂的相互作用，我们将更好地理解像银河系这样的星系是如何呈现出它们熟悉却又永恒动态的螺旋结构的。

参考文献及延伸阅读

  1. 林CC， & Shu, FH (1964)。 “论盘状星系的螺旋结构。” 《天体物理学杂志》， 140，646–655。
  2. 林CC， & Shu, FH (1966)。 “星系螺旋结构理论。” 美国国家科学院院刊， 55，229–234。
  3. Toomre，A.（1981）。 “什么会放大螺旋？” 正常星系的结构和演化，剑桥大学出版社，111-136。
  4. 塔利，RB（1974）。 “M51的运动学和动力学。” 天体物理学杂志增刊系列， 二十七，449–457。
  5. Athanassoula，E.（1992）。 “星系中棒状体的形成和演化。” 皇家天文学会月刊， 259，345–364。
  6. 桑德斯，RH， & Tubbs，AD（1980）。 “螺旋星系中星际气体的棒驱动坠落。” 《天体物理学杂志》， 235，803–816。
  7. 罗梅罗-戈麦斯，M.，等人。 （2006）。 “棒星系螺旋臂的起源。” 天文学 &天体物理学， 453，39–46。
  8. Dobbs, CL 等人（2010 年）。 “螺旋星系：恒星形成气体的流动。” 皇家天文学会月刊， 403，625–645。
  9. Kormendy，J.， & Kennicutt，RC（2004）。 “长期演化和盘状星系中伪核球的形成。” 天文学和天体物理学年度评论， 四十二，603–683。
  10. Garmella，M.等人（2022年）。 “FIRE 盘中棒状结构形成和演化的模拟。” 《天体物理学杂志》， 924，120。

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