旋渦星系（SpiralGalaxy），是觀測到的數(shù)量最多、外形最美麗的一種星系；它的形狀很像江河中的旋渦，因而得名。這類星系在其對稱面附近含有大量的彌漫物質(zhì)，從正面看，形狀像旋渦；從側(cè)面看，便呈梭狀。仙女星系、三角座星云都是這種類型的河外星系。
旋渦星系的代號為S型，棒旋星系的記為SB型。旋渦星系也好，棒旋星系也好一般都在S或SB后面另加a、b、c等英文字母，用來表示旋臂的松緊程度，a表示最緊，c表示最松。
外形呈旋渦結(jié)構(gòu)，有明顯的核心，核心呈凸透鏡形，核心球外是一個薄薄的圓盤，有幾條旋臂，在旋渦星系中有一類的核心不是球形，而是棒狀，旋臂從棒的兩端生出，稱為棒旋星系。
形成
林達(dá)博是研究尾旋臂形成的先驅(qū)，他意識到恒星要恒久保持螺旋臂的形狀會遭遇到"纏繞困境"而難以維持住，因為星系盤中天體的第一宇宙速度會隨著至中心的距離而變化，一條向外輻射出的臂（像車輪的輻條）很快就會因為星系的自轉(zhuǎn)彎成弧線。星系只要自轉(zhuǎn)幾周之后，螺旋臂的曲率就會增加至緊緊纏繞著星系的球核。但觀測到的卻不是如此。螺旋星系（SpiralGalaxy）是由大量氣體、塵埃和又熱又亮的恒星所形成的，有旋臂結(jié)構(gòu)的扁平狀星系，是觀測到的數(shù)量最多、外形最美麗的一種星系，屬于河外星系，在哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的星系分類中用S代表。
尾旋星系是以它們從核心延伸到星盤的螺旋結(jié)構(gòu)命名，它的螺旋形狀最早于1845年觀測獵犬座星系M51時發(fā)現(xiàn)。
旋渦星系的螺旋臂解釋圖。第一個令人可以接受的理論是林家翹與徐遐生兩人在1964年發(fā)明的，他們建議螺旋臂只是螺旋密度波的顯示。他們假設(shè)恒星在細(xì)長的橢圓軌道上并且原來的軌道方向是互有關(guān)聯(lián)的，也就是說，橢圓以很平順的方式隨著與核心距離的增加逐漸改變了他們的方向。這就是圖中所說明的，很清楚的觀察到橢圓軌道在某些區(qū)域緊密結(jié)合在一起的”現(xiàn)象”就是尾旋臂。因此恒星并不是永遠(yuǎn)保持在我們所看見的位置，他們只是在軌道上移動時經(jīng)過螺旋臂。
二擇一的另一個被推薦的假說是星系的運動造成恒星陷入波浪中，因為形成時最亮的恒星也會最快死亡，便會在波的后方形成黑暗的區(qū)域，因而使得波被看見。
特征
風(fēng)車星系(也稱為M101或NGC5457)是旋渦星系的例子旋渦星系(SpiralGalaxy)是由大量氣體、塵埃和又熱又亮的恒星所形成，有旋臂結(jié)構(gòu)的扁平狀星系，有下列結(jié)構(gòu)特征：
1.有相當(dāng)大的總角動量。
2.中心有球核的結(jié)構(gòu)，被周圍的星系盤環(huán)繞著。
3.球核類似橢圓星系，有許多老年的屬于第二星族的恒星，并且通常會有超大質(zhì)量黑洞隱藏在中心。
4.星系盤是扁平的，伴隨著星際物質(zhì)、年輕的第一星族恒星、和疏散星團(tuán)，共同繞著球核旋轉(zhuǎn)。
旋渦星系的名稱來任意球核向外成對數(shù)尾旋在星系盤內(nèi)延展，并有恒星形成的明亮螺旋臂。雖然有時很難辨明，例如螺旋臂有叢生的絮結(jié)時，但螺旋臂相對的可以區(qū)分出有星系盤結(jié)構(gòu)卻沒有螺旋臂的透鏡星系。
旋渦星系的星系盤外通常會有龐大的球形星系暈包圍著，其中主要的成員是年老的第二星族恒星，也有許多被聚集在環(huán)繞著星系核的球狀星團(tuán)內(nèi)。
銀河系長久以來都被認(rèn)為是旋渦星系，以哈勃空間望遠(yuǎn)鏡分類法歸類為Sbc，但來自史匹哲太空望遠(yuǎn)鏡的觀測卻顯示應(yīng)該是棒旋星系，重新分類為SBb。
結(jié)構(gòu)
形態(tài)結(jié)構(gòu)
旋渦星系無論在形態(tài)結(jié)構(gòu)上還是在恒星成分上同橢圓星系都有很大的不同。當(dāng)然，旋渦星系的核部象個橢圓星系，但僅此而已。旋渦星系的旋臂里含有大量的藍(lán)巨星、疏散星團(tuán)和氣體星云．仙女座星系M31便是一個典型的旋渦星系，而且離我們的銀河系很近（距太陽二百二十萬光年），用肉眼就能隱隱約約地看到它，宛如天穹上漂浮著的一片薄云。
在右圖中，仙女座星系的細(xì)節(jié)披露得非常清楚．中央是由星族II的恒星組成的核部。各旋臂是由發(fā)射星云、暗淡無光的氣體、銀河星團(tuán)和藍(lán)巨星組成的條帶，上述成員均為星族I天體．旋臂雖然很亮，但核部以外的光主要來自一個由光度等于或略小于巨星的恒星組成的墊層．旋臂就疊加在這個幾乎透明的恒星墊層上，因此透過旋臂之間的墊層部分仍能看到更遙遠(yuǎn)的星系。觀測結(jié)果表明，墊層的形狀類似于橢球，它分布在星系中央平面的上下，富含球狀星團(tuán)，其顏色比旋臂稍紅，因此可能屬于星族II。
螺旋臂
螺旋臂是由星系的核心延伸出來的旋渦和棒渦組城的區(qū)域。這些長且薄的區(qū)域類似旋渦，此種星系也因此而得名。
螺旋臂的存在曾經(jīng)令科學(xué)家大惑不解，因為在星系旋轉(zhuǎn)時，星系最外圍(邊緣)的恒星運動得比接近中心的恒星更快。事實上，螺旋臂并不是恒星運動造成的結(jié)果，但是密度波會導(dǎo)致恒星形成。因此，螺旋臂因為有年輕的恒星而顯得明亮(并且本來質(zhì)量大、明亮的恒星存活的時間不長)，不是因為恒星的運動造成螺旋臂。
星系球核
球核是巨大的，由恒星緊緊的包裹而成的集團(tuán)，普遍的存在于絕大多數(shù)旋渦星系的中心。旋渦星系的球核通常由第二星族的恒星組成，又小、又紅也較老。這是因為這些恒星全都是與星系同時誕生的，都已經(jīng)有數(shù)十億的年齡，只有小的紅色恒星能活的如此久。
許多球核被認(rèn)為在核心有超大質(zhì)量黑洞寄宿著，這些黑洞雖從未被直接觀察到，但許多都能間接的證明存在。一些球核有第一星族的恒星，藍(lán)色、年輕的恒星，或是兩者混合在一起，雖然距離完全了解還有很長的距離，通常都認(rèn)為這是與其他星系產(chǎn)生交互作用的證明，例如星系吞噬，將新的氣體送到中心并且造成恒星的形成。
球核有些特性與橢圓星系相似(縮減至較低的質(zhì)量和光度)。
星系的扁球體
旋渦星系中大多數(shù)的恒星，不是緊挨著星系盤唯一的平面，就是圍繞著星系的核心（星系核）在常規(guī)的軌道上運行，再不就是聚在扁球體的星系扁球體繞著星系核心轉(zhuǎn)。然而，這些形成的扁球暈或星系扁球體，都朝向星系的中心集中。對這些星座的軌道仍有爭議，它們的方向有順行也有逆行，或許并合著高傾斜角的軌道，或在不規(guī)則的軌道上運行，不一而足。
暈中的恒星或許是來自外面的，或是因為星系吞噬而來自其他的星系。例如，人馬座矮橢球星系是銀河系正在進(jìn)行星系吞噬的對象，觀測顯示銀暈中的一些恒星就來自這個星系的扁球體。不同于星系盤，星系暈中的星際塵埃似乎是自由的，進(jìn)一步的比對，暈中的恒星都是第二星族的，非常老，金屬含量也遠(yuǎn)比在星系盤中的親戚第一星族的低(比較像球核的)。星系暈中也有許多的球狀星團(tuán)。暈中的星在運行中偶爾也會穿越過星系盤，一些在太陽附近的紅矮星就被認(rèn)為是屬于星系暈的成員，例如卡普坦星和Groombridge1830。由于他們環(huán)繞星系中心的運動是不規(guī)則的，這些恒星經(jīng)常會呈現(xiàn)出異常的自行現(xiàn)象。
起源及其演化
在宇宙中高速運行具有星系核的星系，當(dāng)它追及到另一個具有星系核的星系時，如果兩者的運行速度相近，就會相互吞噬，形成了一個更大的星系。倘若這兩個星系的星系核相遇，就會相互繞轉(zhuǎn)而形成一個質(zhì)量更大的高速旋轉(zhuǎn)的星系核。這個高速旋轉(zhuǎn)的星系核就像一個巨大的發(fā)電機，從它的兩極爆發(fā)出能量強大的粒子流向遠(yuǎn)方噴射。星系核的能量越大，噴射粒子流的流量也就越大，噴射得也就越遙遠(yuǎn)。我們把這樣的星系核稱作兩極噴流星系核。
星系核在噴射高能粒子流的時候，會消耗其自身的能量，然而，當(dāng)它俘獲了其它星團(tuán)或者星系以后，就會增添能量。當(dāng)星系核的能量發(fā)生由大到小的變化時，就會建造出兩條粗大的噴流帶。如果星系核的磁軸繞著另一條軸（這條軸稱作星系核的自轉(zhuǎn)軸）旋轉(zhuǎn)，那么，噴流帶的軌跡就會彎曲，而演變成旋渦星系的兩條旋臂。一般的，星系核的磁軸與自轉(zhuǎn)軸之間的夾角（0~π/2）越大，所建造的星系盤面就會越扁；否則就會越厚。星系核的磁軸繞著自轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度越快，旋臂纏卷得就會越緊；否則，就會越松。旋渦星系的兩條旋臂是恒星誕生的活躍區(qū)域。
美國航空航天局（NASA）官員日前稱，科學(xué)家們通過該組織和歐洲航天局合作研制的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡觀測到了有史以來最大的旋渦星系，并拍攝了其照片。科學(xué)家們稱，此次觀測到了星系是有史以來最大的，觀測的結(jié)果也是最詳細(xì)的。科學(xué)家們最后合成的圖像是16666*12000像素的，它是由哈勃太空望遠(yuǎn)鏡51次的拍攝結(jié)果合成的。這是巨大的旋渦星系哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在執(zhí)行一次例行的觀測任務(wù)時發(fā)現(xiàn)的，這一發(fā)現(xiàn)將使我們對宇宙形成的速度有一個新的認(rèn)識，特別是對一些巨星形成初期其周圍眾多星團(tuán)的形成速度有一個新的認(rèn)識。科學(xué)家們同時還發(fā)現(xiàn)，星系周圍的環(huán)是一個新星誕生的地帶，這些星體是造成宇宙中存在強X射線輻射的罪魁禍?zhǔn)住?/p>
旋渦星系的形狀象一個圓盤，它是由許許多多的星體和太空灰塵以及氣體組成的，直徑約17萬光年，這一距離相當(dāng)于銀河系直徑的兩倍。科學(xué)家們把這一新的旋渦星系命名為“M101”。天文學(xué)家們稱，“M101”旋渦星系至少擁有1萬億顆星球，其中至少有1000億顆星球在溫度和壽命方面都可以與太陽相媲美。科學(xué)家們還為“M101”旋渦星系起了一個別名，叫做“輪轉(zhuǎn)焰火”星系，它位于大熊座以北距離地球2500萬光年的地方。
科學(xué)家們使用美國航空航天局錢德拉塞卡X射線空間望遠(yuǎn)鏡首次發(fā)現(xiàn)了在一個和我們銀河系類似的旋渦星系中存在的一對超大質(zhì)量黑洞。這一對黑洞距離地球約1.6億光年，是迄今發(fā)現(xiàn)的距離最近的此類天體現(xiàn)象。
這對黑洞位于旋渦星系NGC3393核心位置，兩者相距僅490光年。科學(xué)家們相信這是數(shù)十億年前該星系吞并了另一個質(zhì)量較小星系后留下的遺跡。
哈佛大學(xué)史密松天體物理中心(CfA)的佩皮?法比亞諾(PepiFabbiano)領(lǐng)導(dǎo)了這項研究，他們的論文已經(jīng)發(fā)表在本周出版的在線版《自然》雜志上。他說：“要不是這一星系距離我們?nèi)绱酥覀兘^無機會觀察到這一現(xiàn)象。從宇宙角度來看，這一星系幾乎就在我們鼻子底下，這讓我們不得不開始懷疑我們是否之前還錯過了許多類似的雙黑洞現(xiàn)象。”
在先前的X射線和其他波段觀測中，天文學(xué)家們很早便注意到星系NGC3393的核心位置存在一個超大質(zhì)量黑洞。然而此次錢德拉望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的長時間觀測讓科學(xué)家們有機會識別出這其實是一對雙黑洞。兩個黑洞成員都處于活躍狀態(tài)，隨著大量氣體物質(zhì)落向它們并迅速發(fā)熱升溫，產(chǎn)生劇烈的X射線輻射。
天文學(xué)家們認(rèn)為，當(dāng)兩個質(zhì)量大致相等的旋渦星系合并時，它們應(yīng)當(dāng)會在核心形成一對超大質(zhì)量黑洞，同時星系會嚴(yán)重變形，漩渦結(jié)構(gòu)消失，并形成大量的恒星新生區(qū)。一個廣為人知的例子就是NGC 6240核心區(qū)的超大質(zhì)量黑洞，它距離地球大約3.3億光年。然而星系NGC3393的情況顯然與此不同，它是一個規(guī)整的旋渦星系，其核心區(qū)被大量老年恒星占據(jù)，看不到明顯的恒星新生區(qū)域。這對于一個核心區(qū)擁有一對黑洞的星系而言顯得不同尋常。事實上，NGC3393可能是首個被發(fā)現(xiàn)的這類案例，即一個較大規(guī)模的星系吞并一個小質(zhì)量星系，并在其核心形成雙黑洞的情形。并且，根據(jù)現(xiàn)有理論顯示，這種質(zhì)量不對稱的吞并行為應(yīng)當(dāng)是造成星系核心雙黑洞現(xiàn)象的主因。不過要證實這一點非常困難，因為要找到這種案例實在困難重重，核心區(qū)域擁有雙黑洞的旋渦星系外形看起來和普通的旋渦星系根本看不出任何區(qū)別。
同樣來自哈佛大學(xué)史密松天體物理中心的研究參與者王云峰(JunfengWang，音譯)說：“除了其核心位置的兩個黑洞之外，這兩個星系的合并沒有留下一絲痕跡。考慮到質(zhì)量不對稱的合并現(xiàn)象，在這類情形中大質(zhì)量的一方在合并發(fā)生后毫發(fā)無損并不令人感到意外。”那么，如果這果真是一次質(zhì)量不對稱合并事件的結(jié)果，那么這兩個黑洞的質(zhì)量一定存在很大的差異。還沒有這兩個黑洞具體質(zhì)量的精確測量數(shù)據(jù)，但是觀測已經(jīng)顯示這兩個黑洞的質(zhì)量都超過了100萬倍太陽質(zhì)量。根據(jù)推算，這兩個黑洞應(yīng)當(dāng)將在大約10億年后合并。
這兩個黑洞隱藏在大量氣體和塵埃云帷幕后方，難以在光學(xué)波段進(jìn)行觀測。但是X射線能級更高，它可以穿透這層云霧。高度靈敏的宇航局錢德拉空間X射線望遠(yuǎn)鏡探測到了清晰的雙黑洞信號。此次有關(guān)星系NGC3393黑洞的發(fā)現(xiàn)和之前德州大學(xué)奧斯丁分校天文學(xué)家茱莉亞?科瑪福德(JuliaComerford)同樣借助錢德拉望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的一個疑似雙黑洞目標(biāo)存在一些相似之處。當(dāng)時科瑪福德檢測到兩個X射線源，這可能是由于這一距離地球約20億光年星系內(nèi)部兩個黑洞獨立發(fā)出的輻射，兩者相距估計約為6500光年。論文合著者，任職于哈佛大學(xué)史密松天體物理中心和意大利國家天體物理研究院的基多?瑞薩里提(GuidoRisaliti)說：“碰撞和合并是宇宙中星系和黑洞成長的最重要方式之一，找到存在于旋渦星系核心部位雙黑洞的證據(jù)是我們了解這種過程的一個重要步驟。”
錢德拉塞卡X射線空間望遠(yuǎn)鏡是一臺威力空前的X射線波段觀測設(shè)備，由史密松天體物理臺負(fù)責(zé)運行和飛行控制，管理工作則由設(shè)在亞拉巴馬州亨茨維爾的宇航局馬歇爾空間飛行中心負(fù)責(zé)。
參考資料 >