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第二十二章 涡状结构（第1页）

（此章为番外介绍篇）

一个世纪以前，发现了仙女星座（andromada）的涡状星云（m31﹐附图九），已经有人怀疑银河系也有涡状结构，确定涡状星云是银河以外的星系后，大家就不只怀疑，而是想出法子来勘定银河系的涡状结构。这个问题是相当困难的，我们乘飞机飞临台北市上空，台北市错综复杂的街道一目了然，但是我们站在中山堂上四面眺望，虽然衡阳街，中华路历历在目，但是要我们把台北市的大街小巷测画出来，就难了。

坐飞机看台北市，就像我们用望远镜看仙女星座的涡状星系一般，旋涡分明在目，登中山堂望台北市，就好像我们在太阳系看银河，是否有涡状结构。但是天无绝人之路，我们终于发明了无线电望远镜。结构问题大致可以完全解决，现在天文学家又更进一步要了解，这些旋涡臂（sprialarm）到底是什麼，为什麼会有。在这一节里我们只从观测结果看银河结构。下一节我们再谈旋涡臂的本质问题。前面讲过，可以观测到的星系有三十亿之多，其中百分之七十以上都有涡状结构。

德籍天文学家巴德（walterbaade）是第一个对涡状结构有贡献的人，他发现仙女星座星等的o，b型新生星（early-typestars）集中在旋涡臂中。这个发现很重要，首先因为o，b新生星光度是通常星（如太阳）的十万倍或百万倍，这点马上说明了为什麼涡状臂要比星系其他部位明亮（参考附图五与附图七）。第二、因为o，b型光谱的新生星年龄不过数百万岁，比起星系其他一般星的年龄（数百亿岁），就好像是昨天才诞生的婴儿与白发皤皤的老翁一般。这说明星系虽有数百亿的高龄，新星球却还在不断的产生中。第三、太阳附近的新生星都坐落在密度较高的氢气中。有些新生星温度太高，把氢原子气体变成了氢离子气体，大家都渐渐相信，星球是星际气体凝聚而成，因为新生星诞生不久，不会马上脱离气体集中区域，所以旋涡臂中一定也是氢原子气体集中地带。

这些看法激起了天文界研究银河涡状结构的狂潮。光学天文学家（opticalactronomer）应用巴德的结果，著手测定太阳周围新生星的距离与位置。无线电天文学家运用第三点就开始观测氢原子气体的分布，理论天文学家从事研究新生星形成过程（starformationprocesses），为什麼新生星在旋涡臂中形成，为什麼会有旋涡臂。先谈谈光学天文学家的成果。我们前面数次提到在银河平面中的星际光吸（interstellarabsorption）。

正式勘定星际光吸要归功于庄伯勒（r.j.trumpler），一九三○年他发表了对星团（starclusters）的研究结果，证实了这个现象，因为星际光吸各方向并不相同，所以使星体距离测定异常艰巨，很多人想法更正光吸作用，测定新生星距离但是都不成功，一直到一九五二年莫根（w.w.morgan）及他的助手才正确的改正了光吸作用。他们的结果显明地标示出新生星聚集在三个区域中，最外面区域叫英仙涡臂（persensarm），中间叫猎户涡臂（orionarm），里面的叫人马涡臂（sagittariusarm）。太阳位于猎户涡臂的内侧。

这证实了银河系的涡状结构，唯一的遗憾是光学望远镜（opticaltelescope）终非星际光吸之敌，超过了五千角差就不能看到了，所以只能得到局部结构，大结构就非依无线电望远镜不可了。同年（一九五二）俄特与万德赫，发表了他们无线电观测结果，因为银河系的较差自转，里面快外面慢，在附图十一中很容易看出来，在银河中心方向左右九十度之内，旋转最快的一点永远在切点小圆上（tangent-pointcircle）。所以每一个方向与太阳相对速度最大的即是切点速度，利用这个简单的几何原理，可以把通过太阳大圆内的银河自转率求出来，大图以外的自转无法正确求出，但普通采用的外推法（extrapolation）有相当的准确性。这样，我们可以建立一个自转率与中央距离的关系，利用这关系我们可以大致定出银河中氢原子气体分布。

俄特与万德赫定出银河系的北半边的结构，数年后奥洲的克尔（f.j.kerr）观测了南半边，他们的结果见附图十二中。这个图很清楚的显示著涡状结构；太阳附近的结构大致与光学观测结果相同。远处涡状体系虽然紊乱，也有脉络可寻。当然这个涡状结构并不十分完整，有很多不规则部分，这是涡状星系普遍现象，银河系自不例外。在决定结构时有一个很重要的距离，就是太阳与银河中心的距离，这距离虽与无线电观测的银河全貌，关系甚小，但是要使光学与无线电观测配合起来，这距离非常重要，前面言及谢甫利观测变星的光周关系定出这距离十万光年，约三万角差，因为他没有改正光吸作用，而且他的光周关系归零（calibration）有错误，所以比现在用的大了三倍，现在用的一万角差是经过巴德十年的努力（一九五二至一九六二），才得到的，用这个数字推算出，我们的银河星系半径约一万八千角差。无线电的观测，并且告诉我们银河平面并不完全水平，假设我们把银河想成一个碟子，这个碟子的边缘一边往上翘，另一边往下翘，但是翘得并不厉害，这个现象是由银河系附近的大小麦哲伦星云的重力影响所致，银河系的涡状结构内起于四千角差的中央距离，外达一万二千角差。四千角差以内组织异常复杂，中间的问题多半没有解决。

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