银河系旋臂是如何形成的？

刚看到另外一个问题的答案，突然意识到越离开银河中心，恒星速度越慢，既然如此怎么还会形成旋臂状的结构？ 即便初始形成，运动起来旋臂应该也无法维持吧这是一个很好的问题。正如问题描述的，因为恒星的旋转角速度是依赖于距中心距离的，所以现在看到在旋臂上的恒星应该在很快的时间里就会卷紧，从观测上无法和均匀背景区分开来。可是观测中人们确实看到了非常多的旋臂星系，这是怎么回事呢？有两种可能性：一是旋臂不断的被创造出来，二是旋臂的花样并不是由同一批恒星保持的。

1960年代，天才的华人科学家林家翘和徐遐生密度波理论给出了星系旋臂花样的一个漂亮解释。这个理论至今被认为是星系旋臂的最佳解释。这个理论是说，星系旋臂的花样存在在那里并不是因为它里面的恒星都按照旋臂的旋转速度旋转。恒星在旋臂里进进出出，进去的时候因为旋臂的引力而加速，可出来的时候却因为旋臂的引力速度变慢。这样子，看起来旋臂那里总是聚集着很多的恒星。一个著名的比喻是说旋臂就好像是堵车的地方，虽然车辆进进出出，可是十字路口那里总是聚集了很多的车辆。发布于 2014-03-25其实 @狐狸先生已经说得挺明白了，我就是来贴几张图，再稍微补充一点点。。
如果旋臂是物质臂，那么根据太阳绕银心公转周期（~2*10^8yr），太阳年龄（~5*10^9yr）可推测出太阳绕银心至少20圈了，由于漩涡星系的较差自转（内部角速度大于外部），旋臂是会缠在一起的（自行脑补伸长手臂的路飞不停旋转的画面。。），最终会使旋臂消失。（见下图）

1963年，林家翘先生和徐瑕生先生提出了密度波理论（Density Wave Theory）简要描述一下，如有不当之处，请各位指正。。
在没有扰动势的情况下，引力势是轴对称的，盘上的恒星和气体云的运动为匀速圆周运动，这就是传说中的理想条件了。 不过星际空间显然没那么消停，再平静的湖面清风一吹也会有涟漪，这就是扰动势（先假设同相角扰动势相同），这使得天体们的轨道变成了同轴的椭圆轨道，于是引力势随方位角的变化而变化，天体的运动速度不再是匀速了。
但显然扰动势也没那么理想，十几万光年大的地盘，即使相角相同，由于半径不同，扰动势肯定也是要发展地方特色滴，即不同半径的扰动势不同，这就使得天体的轨道成了非同轴的椭圆轨道。
由上图可以看出引力势极小的地方成了“旋臂”的样子，引力势极小，导致了物质速度的减慢，密度的增大（走得慢全挤在一块了），于是挤在引力势极小的天体形成了我们观察到的旋臂~
可以想象生活中遇到的堵车场景，前面的车不堵，走得快跑了，中间全卡着动都动不了，后面的还没到堵车的地方跑得还是很快，但马上就加入了堵车的队伍，可以看看下面的图
旋臂上年轻天体的形成也可以由上面的图理解，气体云吃着火锅唱着歌，自由自在地跑着，结果半道就遇到了堵车，互相撞啊撞，挤啊挤，一坍缩一加热，年轻的恒星们就这么慢慢形成了（具体过程这里就不写了，可以自行搜索恒星的形成~~）
其实呢，关于旋臂形成，还有一个自传播恒星形成理论（Self-propagating star formation or supernova chain reaction theory），简述一下（其实这个理论我也不是很懂，还望各位指点。。），气体云的坍缩形成了年轻星团和大质量的恒星，它们的辐射以及超新星的爆发产生的激波压缩周围的气体，这就产生了下一代的恒星，如此循环往复，维持着旋臂的模样。但是，前文提过由于较差自转的存在，这个方式产生的旋臂维持时间较短而且形成的旋臂粗糙，呈绒毛状（片段式，模糊不清），对比密度波理论（旋臂→恒星形成），这个理论则是恒星形成→旋臂。
对于我们的银河系，两种效果可能是同时存在的，密度波建立起旋臂的基本结构，大质量恒星的辐射和超新星爆发的激波则进一步改变其形态。编辑于 2014-08-15三星I9000手机自带一个星系旋转壁纸，很容易就能看出来旋臂是怎么回事了。发布于 2016-06-07