没有人想过这是为什么吗？
ESA / Hubble / NASA
“我们在太空中看得越远，就越意识到，要全面了解宇宙的本质，只靠观察旋涡星系或遥远的超新星是远远不够的。它隐藏得很深。”——罗伯特·兰扎（Robert Lanza）
夜空中形形色色的天体，宏伟程度很少有超过旋涡星系的。这些包含了千万亿恒星的“岛宇宙”拥有一种独特的结构。而这样迷人的结构，没有让你产生困惑吗？
不知道你注意到没有，旋涡星系旋臂的长度，很少有超过星系周长一半的。旋臂为什么没有把内核一圈圈地缠绕起来？
J. Schulman / Ken Crawford（Racho Del Sol天文台） / Adam Block / 莱蒙山天空中心 / 亚利桑那大学
宇宙中有许多旋涡星系，它们的结构基本相同。旋涡星系的旋臂与星系的内核相连，它们一般拥有2至4条旋臂，呈旋涡状向外伸展。1970年代人们发现，星系外侧的恒星运行速度并不比内核处慢。虽然太阳系外圈行星的公转速度要比内圈慢得多，但在星系中，情况并非如此。
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我们可以通过测量侧视星系中单个恒星相对于星系中心距离的红移或蓝移程度，来获知这一点。我们发现，星系各个部分恒星的运行速度大致是相等的。但即便如此，远离星系中心的恒星也需要用更多的时间才能完成一次公转，距离越远，所需的时间就多。
我们可以大致算一算：以银河系为例，根据太阳和其它恒星的运行速度，我们可以推算出太阳围绕银河中心完成一次公转需要用去大约2.2亿年时间。我们距离银心的距离大约是26000光年，这个距离比银河系外围和银心的距离稍微近了那么一点。也就是说对于银河系这样年龄约为120亿的星系来说，外围的恒星绕着银心运行了25圈；太阳运行了大约54圈；银心方向10000光年内的恒星已经运行了100多圈。直觉上，星系应该早就被旋臂紧密地缠绕起来了，就像下面视频中那样：
但是实际情况并不是这样，旋臂并没有越拉越长，也没有越缠越紧。在很多案例中，旋臂的长度甚至还不到星系的一个周长。星系的这个特点，只意味着一件事：这些旋臂并不是实体，只是一种视觉效果。不管星系是独立的，还是处在互动中，都是这样。如果我们对星系加以仔细观察，便能找到可以揭示这个奥秘的启示。
ESO
不知道你是否注意到沿着旋臂分布的那些“粉”色结点？那里是活跃的产星区；它们之所以呈现为粉色，是因为它们发出的光，拥有一种极为精确的波长：656.3纳米。这种辐射只有当新生恒星发出强光，电离气体物质后，电子与质子再次结合在一起时才会产生。新生成的氢原子会释放出一种非常特殊的辐射，其中就包括了能够呈现出这种粉色的光。
在这一现象的启发下，人们终于发现，这些旋臂实际上是星系中物质密度相对较高的地方。这些地方对于恒星来说，是出入自由的。
这个观点大概是在1964年以后出现的，被称为“密度波理论”。它认为，旋臂本身所在的位置基本上是不会变化的。就像交通堵塞一样，单个天体能够自由出入这些区域，这些区域内的天体数量大致是稳定的。这种密度模式能够一直维持下去。
这背后的物理学原理其实很简单：不同位置上的恒星都在产生引力，是这些引力维持着星系的旋臂。也就是说，只要某处密度较高，星系“盘面”的自转就会在这些拥有大量产星区的高密度区形成一系列原始旋臂。随着时间的推移和星系的演化，只要有引力存在，就足以维持这些旋臂和高密度区。
特别神奇的是，无论银河系周围是否存在巨大的暗物质晕，这一机制都能运作得很好。
有暗物质晕（右）和无暗物质晕（左）的星系自转对比。维基共享资源
所以无论星系有多么古老，它们的旋臂都不会越拉越长。和交通堵塞一样，当恒星、气体和尘埃位于旋臂中时，它们周围会出现更多的邻居；而当它们离开旋臂时，它们之间会变得更加空旷。
Ethan Siegel 文 / 老孙 译
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