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涡旋星系与太空版《星月夜》
    时间:2013-11-21     点击率:25693

    

 涡旋星系与太空版《星月夜》

    王 振 东


一、哈勃和星系分类“音叉图”

        哈勃(Edwin Powell Hubble,1889.11.20~1953.9.28),美国天文学家,观测宇宙学的开创者。1889年11月20日生于美国密苏里州马什菲尔德,1953年9月28日卒于美国加州圣马力诺。
        哈勃对20世纪天文系作出许多贡献,被尊为一代宗师。其中最重大贡献有二:一是确认星系是与银河系相当的恒星系统,开创了星系天文学,建立了大尺度宇宙的新概念;二是发现了星系的红移-距离关系,促使现代宇宙学的诞生。


    哈勃(1889~1953)

        哈勃研究过约600个星系,其中17%是椭圆星系,50%是标准涡旋星系,30%是棒旋星系,而不规则星系只占3%。
        1926年,哈勃提出了著名的星系分类“音叉图”,试图将繁多的星系用外观进行分类,成为容易识别的序列。


    哈勃的星系分类“音叉图”

        在哈勃的星系分类中,包括外观从圆形E0到椭圆形E7的椭圆星系,椭圆星系只有核球,没有旋臂;用S代表具有涡旋结构的星系。涡旋星系又分为 a、b、c三种次型:Sa型中心区大,稀疏地分布着紧卷旋臂;Sb型中心区较小,旋臂较大并较开展;Sc型中心区为小亮核,旋臂大而松弛。 哈勃认为,有些星系中央有棒状结构,有些则没有:SBa到SBc代表有中央棒状结构的涡旋星系,Sa到Sc是中央没有棒状结构的涡旋星系。
        在天体研究中首先引入涡旋观念的是法国的笛卡尔,他提出了以太涡旋理论,认为以太是一种非常稀薄的连续流体,没有重量,物体作用是通过以太挤压来传递的,天体在以太中运行不会受到任何阻力。笛卡尔认为,在自然界中只有通过物质的接触才能发生作用和产生运动。他想象一个粒子让出了位置,则被临近粒子占有,而空出的位置又同时为第三个粒子所有。粒子不断调换位置,作循环的旋转运动,结果就形成了物质的涡流。1669年,荷兰的惠更斯以水碗里的涡旋把涂蜡的卵石拉向碗中心的实验,来支持笛卡尔的学说。他把旋转的水比作以太涡旋,认为以太由于旋转而具有了力图离开中心物体的倾向,从而又迫使其中的物体向中心物体靠拢。
        涡旋星系通常具有明亮的旋臂。20世纪40年代﹐林德布拉德提出了用星系密度波来解释涡旋结构。他认为旋臂并不是永远由一些固定的恒星组成的“物质臂”﹐而是随着时间的不同,会在这里聚集更多的恒星。
        美藉华裔学者林家翘等,1964年提出了准稳涡旋结构假说﹐认为涡旋星系的基态是稳恒且又是轴对称的。他们证明﹐涡旋结构一旦形成就会长期维持下去,还求出了密度波的色散关系,成功地解释了许多观测事实﹐同时又在密度波理论的基础上﹐研究了大尺度的星系激波﹐为解释恒星的形成提供了一种可能的机制。
        星系动力学的研究虽然成果己不少﹐但涡旋结构的起源至今仍未能弄清楚,就是已经建立起来的理论,也还带有半经验的性质。

二、哈勃望远镜和多姿多彩的涡旋星系
        哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope)是以天文学家哈勃为名,由美国宇航局和欧洲航天局共同管理,在轨道上环绕地球的望远镜。它1990年4月24日搭乘“发现号”航天飞机,顺利进入预定轨道,开始了孜孜不倦的巡天航程。这架太空望远镜因位置在地球的大气层之上,所以获得了地基望远镜所没有的好处:影像不会受到大气湍流的扰动,视相度很高,又没有大气散射造成的背景光,还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。这是人类第一座巨型空间天文台,填补了地面观测的缺口,帮助天文学家解决了许多根本问题,对天文物理有了更深入的认识。


    运行在环绕地球轨道上的哈勃太空望远镜

    展开了太阳能电池板的哈勃太空望远镜

       哈勃太空望远镜充当起人类观测宇宙的眼睛,人们凭借它对天体精确的观测能力,揭示了更多宇宙的奥秘。从下面几张它拍摄的图片,我们可以看到几张典型的涡旋星系图片:



    涡旋状的银河系(太阳在箭头指处)

        横亘夜空的银河系并非像天文学家原先猜测那样,呈现规则的涡旋状,而是有一条长达27000光年的恒星棒,架在涡旋星系中间。



    大犬座的一对涡旋星系

        哈勃太空望远镜1999年11月拍摄的大犬座内的一对涡旋星系,NGC 2207和IC 2163是正在碰撞和合并中的星系,它们将逐渐合并成一个椭圆星系。



    距地球7000万光年棒锤型的涡旋星系

        棒锤型的涡旋星系是中心呈长棒形状的涡旋星系。一般的涡旋星系的中心是有圆核的,而棒锤型涡旋星系的中心是棒形状,棒的两边有旋形的臂向外伸展。


    狮子座中的涡旋星系

        狮子座的涡旋星系NGC 3521,离我们约3500万光年,有着明亮而致密的核心,以及细节丰富的旋臂结构。 长约5万光年的旋臂上点缀着大量恒星形成区,并遍布尘埃云的脉络。它的旋臂很不规整,成为絮状涡旋星系的典型代表。这类星系旋臂的界限不清,与那些具有明晰旋臂结构宏伟涡旋星系形成鲜明对比。

三、太空版的《星月夜》
        19世纪人类最杰出的艺术家之一、荷兰绘画大师梵高(文森特•梵•高 Vincent Van Gogh 1853年3月30日~1890年7月29日),是后期印象画派的代表人物,其创作深深影响了20世纪的绘画艺术,不少作品在全球广为人知,极具艺术价值。梵高1889年在法国圣雷米修道院治病疗养期间创作的名画《星月夜》(STARRY NIGHT , 73cm×92cm ),收藏于美国纽约现代美术馆(Museum of Modern Art,New York)。《星月夜》 被视为梵高最具风格的代表作之一。涡旋状星云在画中扫过夜空,手法大胆,震撼人心。参考文献[1]已介绍画评人对怎样欣赏这幅名画的参考意见。

        有趣的是,在梵高《星月夜》问世115年之后,美国宇航局和欧洲航天局2004年3月4日在公布“哈勃”太空望远镜新拍摄的一张照片时称,这幅太空摄影作品与梵高的名作《星月夜》有“异常相似”之处。“哈勃”新拍的这张照片,反映的是一颗遥远恒星周围的景象。这颗名为“V838 Mon”的恒星位于麒麟星座方向,距离地球2万光年。在照片上可以看到恒星周围涡旋状的尘埃云。据估计,这些涡旋状尘埃云在星际空间中跨越有数万亿公里。
        2006年11月,天文学家们又评选出哈勃太空望远镜巡天16年的十佳照片,这张照片入选为十佳照片的第八张,并被天文学家命名为:“梵高的《星月夜》”,成为了《星月夜》的太空版。

        太空版《星月夜》,只是哈勃太空望远镜所拍摄到许多精彩的涡旋星系图片中的一张。
        美国宇航局2008年4月24日为哈勃太空望远镜18岁庆生,2010年4月24号又为哈勃太空望远镜20岁庆生,两次庆生所公布的哈勃太空望远镜拍摄的精彩照片中,这张太空版《星月夜》也都己入选。

四、涡旋星系是尺度最大的涡旋
        近代力学的奠基人之一、德国力学家普朗特(L.Prandtl)的学生、空气动力学家屈西曼(D.Küchemann)曾经说过:“涡旋是流体运动的肌腱。”这句流体力学中的至理名言,深刻概括了涡旋在流体运动中的作用。
        在流体运动中存在着各种各样的涡旋,从流体力学家H.J.Lugt 总结的各种涡旋的尺度谱表中,可见宇宙空间的涡旋星系,是大自然中尺度最大的涡旋,其尺度是“光年”。

 

涡旋的名称

涡尺度结构

液氦中的量子涡

10-8cm

最小的湍流涡

0.1cm

昆虫引起的涡旋

乌贼喷射的涡环

0.1~10cm

尘卷

潮水中的涡旋

1~10m

火山爆发的涡环

热对流云

100~1000m

湾流的涡旋

台风

大气高压和低压系统

 

100~2000km

海洋环流

大气环流

地球内部的热对流胞涡

 

2000~5000km

木星的红斑

土星环

太阳黑子

 

5000~105km

涡旋星系

用光年计

    各种流体涡旋的尺度谱

        在流体力学的教学与研究中,离不开涡旋。梵高的名画《星月夜》,以及天文学家评选出的太空版《星月夜》,NASA公布的洋流版《星月夜》,都是形象描述流体涡旋的画作与图像。

参考文献:
    1. 王振东,梵高《星月夜》及其洋流版,力学与实践,2012,34(4):101~102
    2, 王振东,峡江漱石水多漩 —漫谈流体中的旋涡,力学与实践,1995,17(2):68~70
    3. 王振东,流体涡旋漫谈,现代物理知识,2012,24(2):9~16
    4. H.J.Lugt ,Vortex Flow in Nature and Technology,New York:John Wiley & Sons,1983

    转载自《力学与实践》第35卷第5期