銀河系旋臂是如何形成的？

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剛看到另外一個問題的答案，突然意識到越離開銀河中心，恆星速度越慢，既然如此怎麼還會形成旋臂狀的結構？即便初始形成，運動起來旋臂應該也無法維持吧

其實 @狐狸先生已經說得挺明白了，我就是來貼幾張圖，再稍微補充一點點。。
如果旋臂是物質臂，那麼根據太陽繞銀心公轉周期（~2*10^8yr），太陽年齡（~5*10^9yr）可推測出太陽繞銀心至少20圈了，由於漩渦星系的較差自轉（內部角速度大於外部），旋臂是會纏在一起的（自行腦補伸長手臂的路飛不停旋轉的畫面。。），最終會使旋臂消失。（見下圖）

1963年，林家翹先生和徐瑕生先生提出了密度波理論（Density Wave Theory）簡要描述一下，如有不當之處，請各位指正。。
在沒有擾動勢的情況下，引力勢是軸對稱的，盤上的恆星和氣體雲的運動為勻速圓周運動，這就是傳說中的理想條件了。

不過星際空間顯然沒那麼消停，再平靜的湖面清風一吹也會有漣漪，這就是擾動勢（先假設同相角擾動勢相同），這使得天體們的軌道變成了同軸的橢圓軌道，於是引力勢隨方位角的變化而變化，天體的運動速度不再是勻速了。

但顯然擾動勢也沒那麼理想，十幾萬光年大的地盤，即使相角相同，由於半徑不同，擾動勢肯定也是要發展地方特色滴，即不同半徑的擾動勢不同，這就使得天體的軌道成了非同軸的橢圓軌道。

由上圖可以看出引力勢極小的地方成了「旋臂」的樣子，引力勢極小，導致了物質速度的減慢，密度的增大（走得慢全擠在一塊了），於是擠在引力勢極小的天體形成了我們觀察到的旋臂~
可以想像生活中遇到的堵車場景，前面的車不堵，走得快跑了，中間全卡著動都動不了，後面的還沒到堵車的地方跑得還是很快，但馬上就加入了堵車的隊伍，可以看看下面的圖

旋臂上年輕天體的形成也可以由上面的圖理解，氣體雲吃著火鍋唱著歌，自由自在地跑著，結果半道就遇到了堵車，互相撞啊撞，擠啊擠，一坍縮一加熱，年輕的恆星們就這麼慢慢形成了（具體過程這裡就不寫了，可以自行搜索恆星的形成~~）
其實呢，關於旋臂形成，還有一個自傳播恆星形成理論（Self-propagating star formation or supernova chain reaction theory），簡述一下（其實這個理論我也不是很懂，還望各位指點。。），氣體雲的坍縮形成了年輕星團和大質量的恆星，它們的輻射以及超新星的爆發產生的激波壓縮周圍的氣體，這就產生了下一代的恆星，如此循環往複，維持著旋臂的模樣。但是，前文提過由於較差自轉的存在，這個方式產生的旋臂維持時間較短而且形成的旋臂粗糙，呈絨毛狀（片段式，模糊不清），對比密度波理論（旋臂→恆星形成），這個理論則是恆星形成→旋臂。
對於我們的銀河系，兩種效果可能是同時存在的，密度波建立起旋臂的基本結構，大質量恆星的輻射和超新星爆發的激波則進一步改變其形態。

原因很簡單，你的兩個前提都是錯的。而這個問題和漩渦星系最重要的課題相關——暗物質與密度波理論。

1，你說離開銀河中心越遠，恆星速度越慢，然而這是錯的。實際上全銀河系的恆星保持著幾乎相同的線速度旋轉。這當然很不正常，這顯示銀河裡有莫名多出來的質量。

（左側為可見物質靠牛頓力學預測的旋轉曲線，右側是實際觀測的）

為啥會正好是一條直線呢？一般我們認為銀河系的主要質量都是暗物質，可見物質只是少數。暗物質是個球，把銀河盤面裹在裡面。

這就很好理解了，大家都知道殼層定理吧。就好像地球越往中心重力加速度反而越小一樣（假設地球均質的話），暗物質這種分布抵消了核心密集恆星的重力，產生了水平的旋轉曲線。

2，當然僅僅線速度相同，角速度還是不同。那麼星系旋臂仍然會纏緊。所以實際上，星系旋臂只是恆星軌道較為密集的地方。如下圖所示

引力是個非常馬太效應的東西，物質互相作用產生的結果是密度大的地方變得更大、密度小的地方變得更小。於是繞銀河核心的軌道變成了有的部分密集，有的地方稀疏的、長軸不斷旋進的橢圓。

在上面的視頻中，其實已經展示了密度波的理論了。在三星I9000手機自帶的壁紙中就有一個旋轉星系的，很清楚地展示了密度波理論下的恆星公轉。

（白點代表恆星）

另外，旋臂的產生似乎與恆星形成也有關係。目前我們觀測到的旋臂都是藍色的，且富含可供恆星形成的氣體，說明充滿了年輕的新生恆星。這可能也是密度波的一個後果，密度大的地方氣體壓縮形成了更多恆星，恆星使得周圍的氣體發光。不斷新生的恆星維持著旋臂的樣子。

當一個漩渦星系的氣體耗盡，它的盤面就會慢慢由藍轉紅，並慢慢喪失旋臂結構。我們稱之為「透鏡狀星系」

以上所有圖片視頻都來自於維基百科。

這是一個很好的問題。正如問題描述的，因為恆星的旋轉角速度是依賴於距中心距離的，所以現在看到在旋臂上的恆星應該在很快的時間裡就會卷緊，從觀測上無法和均勻背景區分開來。可是觀測中人們確實看到了非常多的旋臂星系，這是怎麼回事呢？有兩種可能性：一是旋臂不斷的被創造出來，二是旋臂的花樣並不是由同一批恆星保持的。

1960年代，天才的華人科學家林家翹和徐遐生密度波理論給出了星系旋臂花樣的一個漂亮解釋。這個理論至今被認為是星系旋臂的最佳解釋。這個理論是說，星系旋臂的花樣存在在那裡並不是因為它裡面的恆星都按照旋臂的旋轉速度旋轉。恆星在旋臂里進進出出，進去的時候因為旋臂的引力而加速，可出來的時候卻因為旋臂的引力速度變慢。這樣子，看起來旋臂那裡總是聚集著很多的恆星。一個著名的比喻是說旋臂就好像是堵車的地方，雖然車輛進進出出，可是十字路口那裡總是聚集了很多的車輛。

就像 @狐狸先生說的那樣，你必須放棄旋臂是由同一批物質組成的這個感覺很有道理的看法。旋臂其實只反應恆星和氣體某一個特殊時間段的狀態，恆星是一批批地流過旋臂的。

而旋臂里新生恆星中的大質量強光度藍星，又激發了附近的氣體，使之放光。這就有了我們看到的非常漂亮的發射強光的氫雲。

三星I9000手機自帶一個星系旋轉壁紙，很容易就能看出來旋臂是怎麼回事了。

你可以在水池裡潑一些墨水，然後把水塞拔了，你就可以看見這個過程是怎樣的了