银河系旋臂之谜

宇宙中的力只有那么几种：引力、电磁力、弱相互作用力和强相互作用力。在解释星系乃至宇宙的宏观结构时，主要的力就只有一种引力，所以的结构都源于引力，再没有第二种力。真正复杂的是，这些美丽的旋臂是如何形成的细节过程，除了银河系之外，宇宙中有许多星系都是螺旋形，当然也有其它形状。

星系的历史和形状

星系根据它们的形状分为三种主要类型：螺旋形，椭圆形和不规则形。最接近银河系的星系中近70％都是螺旋状的。但研究表明在早期宇宙中，螺旋星系并不存在。这是通过分析哈勃太空望远镜拍摄的超深场照片所得到的结论。哈勃太空望远镜的超深场照片中拍摄到大约10,000个不同年龄的星系，其中一些星系的年龄几乎与宇宙本身一样古老，它们是在宇宙形成的初期最先出现的星系。

图示：2009年，哈勃太空望远镜对准宇宙最黑暗的一小块天区，用超长时间曝光获得的宇宙超深场照片，当然只是非常局部的一小块照片，但它揭示了许多宇宙早期的秘密。当我们往宇宙深处看去的时候，我们看到的是遥远的过去，因为光速是有极限的，不能瞬时传播。

早期宇宙中的奇怪星系

图示：天文学家黛博拉·埃米格林，因其对星系结构的研究获天文学界杰出服务奖

为了分析哈勃超深场图像，纽约波基普西瓦萨尔学院的天文学家黛博拉·埃米格林团队，首先将图像中的星系分为几种基本类型，如盘状，块状，椭圆形，蝌蚪形和双重形等等。他们将直径大于10像素的所有星系都做了分类。然后天文学家们就利用这些分类来研究那些最奇特的星系类型，一种异常的块状结构星系，这种星系在当前的宇宙中并不存在。

但研究人员发现，在宇宙诞生的初期，由于高度的湍流，富含气体的星系盘中的引力很不稳定，因此大多数年轻的星系在刚诞生时，都呈现一种异常致密的团块形状。他们发现宇宙的起步阶段是一片混乱。最古老的星系拥有巨大明亮的恒星团块，很少有机会看到规则结构的圆盘状星系。那么要想发展出今天我们看到的漂亮螺旋形，星系首先必须从之前的混乱阶段安定下来，或者说“冷静”下来，这种演变耗时至少需要数十亿年。

渐渐地，那些要变成螺旋星系的星系，会失去它们大部分的团块状结构，取而代之的是，中央出现一个明亮的隆起结构，星系中的小团块慢慢地开始形成许多模糊不清的“鞭毛”状的螺旋臂。

当宇宙的年龄发展到大约36亿年时，星系开始有机会稳定下来，宇宙空间中的湍流减少，新的恒星形成，但它们将形成一个更安静的圆盘状结构。首批出现的螺旋星系要么是双臂结构，要么是拥有厚而不规则的螺旋形状，星系中还剩余有一些团块，就像没搅匀的面疙瘩。

拥有更为精细结构的多旋臂星系，如银河系及其邻居仙女座星系出现的时间则晚很多，至少要到宇宙年龄达到80亿年的时候。当然，这些研究还不足以完全解释螺旋星系形成的诸多细节性问题，天文学家们还在等待哈勃太空望远镜的继任者，詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射，并等待新太空望远镜拍摄的新照片。

利用已知的知识，在超级电脑的辅助之下，天文学家们模拟了银河系旋臂的形成过程，不过当前的模拟未必能代表真实的历史。简单说就是，银河系的旋臂是在银河系成长的过程中，不断吸收周围太空中的物质（主要是氢氦气团）和周围形成的小星系的过程中，形成了四条旋臂。吞噬周围的小星系对形成旋臂非常重要。