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中科院力學所
渦旋星系與太空版《星月夜》
力學園地
2016年01月05日渦旋星系與太空版《星月夜》
王 振 東（天津大學力學系，天津300072）
摘要：渦旋星系是大自然中尺度最大的流體渦旋。哈勃望遠鏡拍攝到許多很美妙的渦旋星系照片，使我們認識到在宇宙中有那么多姿多態(tài)的星系，渦旋星系是其存在的常態(tài)之一。天文學家評選出哈勃望遠鏡巡天16年的十佳照片的第八張，被命名為《星月夜》的太空版，它與梵高《星月夜》和NASA公布的洋流版《星月夜》，都是形象描述流體渦旋的畫作與圖像。關鍵詞：梵高；星月夜；流體渦旋；渦旋星系；哈勃望遠鏡
哈勃和星系分類“音叉圖”
哈勃（Edwin Powell Hubble，1889.11.20～1953.9.28），美國天文學家，觀測宇宙學的開創(chuàng)者。1889年11月20日生于美國密蘇里州馬什菲爾德，1953年9月28日卒于美國加州圣馬力諾。哈勃對20世紀天文系作出許多貢獻，被尊為一代宗師。其中最重大貢獻有二：一是確認星系是與銀河系相當?shù)暮阈窍到y(tǒng)，開創(chuàng)了星系天文學，建立了大尺度宇宙的新概念；二是發(fā)現(xiàn)了星系的紅移-距離關系，促使現(xiàn)代宇宙學的誕生。
哈勃（1889～1953）
哈勃研究過約600個星系，其中17%是橢圓星系，50％是標準渦旋星系，30%是棒旋星系，而不規(guī)則星系只占3%.1926年，哈勃提出了著名的星系分類“音叉圖”，試圖將繁多的星系用外觀進行分類，成為容易識別的序列。
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哈勃的星系分類“音叉圖”
在天體研究中首先引入渦旋觀念的是法國的笛卡爾，他提出了以太渦旋理論，認為以太是一種非常稀薄的連續(xù)流體，沒有重量，物體作用是通過以太擠壓來傳遞的，天體在以太中運行不會受到任何阻力。笛卡爾認為，在自然界中只有通過物質(zhì)的接觸才能發(fā)生作用和產(chǎn)生運動。他想象一個粒子讓出了位置，則被臨近粒子占有，而空出的位置又同時為第三個粒子所有。粒子不斷調(diào)換位置，作循環(huán)的旋轉(zhuǎn)運動，結(jié)果就形成了物質(zhì)的渦流。1669年，荷蘭的惠更斯以水碗里的渦旋把涂蠟的卵石拉向碗中心的實驗，來支持笛卡爾的學說。他把旋轉(zhuǎn)的水比作以太渦旋，認為以太由于旋轉(zhuǎn)而具有了力圖離開中心物體的傾向，從而又迫使其中的物體向中心物體靠攏。
渦旋星系通常具有明亮的旋臂。20世紀40年代﹐林德布拉德提出了用星系密度波來解釋渦旋結(jié)構(gòu)。他認為旋臂并不是永遠由一些固定的恒星組成的“物質(zhì)臂”﹐而是隨著時間的不同，會在這里聚集更多的恒星。
美藉華裔學者林家翹等，1964年提出了準穩(wěn)渦旋結(jié)構(gòu)假說﹐認為渦旋星系的基態(tài)是穩(wěn)恒且又是軸對稱的。他們證明﹐渦旋結(jié)構(gòu)一旦形成就會長期維持下去,還求出了密度波的色散關系，成功地解釋了許多觀測事實﹐同時又在密度波理論的基礎上﹐研究了大尺度的星系激波﹐為解釋恒星的形成提供了一種可能的機制。
星系動力學的研究雖然成果己不少﹐但渦旋結(jié)構(gòu)的起源至今仍未能弄清楚﹐就是已經(jīng)建立起來的理論﹐也還帶有半經(jīng)驗的性質(zhì)。
哈勃望遠鏡和多姿多彩的渦旋星系
哈勃太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）是以天文學家哈勃為名，由美國宇航局和歐洲航天局共同管理，在軌道上環(huán)繞地球的望遠鏡。它1990年4月24日搭乘“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機，順利進入預定軌道，開始了孜孜不倦的巡天航程。這架太空望遠鏡因位置在地球的大氣層之上，所以獲得了地基望遠鏡所沒有的好處：影像不會受到大氣湍流的擾動，視相度很高，又沒有大氣散射造成的背景光，還能觀測會被臭氧層吸收的紫外線。這是人類第一座巨型空間天文臺，填補了地面觀測的缺口，幫助天文學家解決了許多根本問題，對天文物理有了更深入的認識。![DWPEI]9D4_NGO7`RN~E3MER](/blog/uploads/sites/29/2016/01/DWPEI9D4_NGO7RNE3MER.jpg)
運行在環(huán)繞地球軌道上的哈勃太空望遠鏡
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展開了太陽能電池板的哈勃太空望遠鏡
哈勃太空望遠鏡充當起人類觀測宇宙的眼睛，人們憑借它對天體精確的觀測能力，揭示了更多宇宙的奧秘。從下面幾張它拍攝的圖片，我們可以看到幾張典型的渦旋星系圖片：
渦旋狀的銀河系(太陽在箭頭指處)
橫亙夜空的銀河系并非像天文學家原先猜測那樣，呈現(xiàn)規(guī)則的渦旋狀，而是有一條長達27000光年的恒星棒，架在渦旋星系中間。
大犬座的一對渦旋星系
哈勃太空望遠鏡1999年11月拍攝的大犬座內(nèi)的一對渦旋星系，NGC 2207和IC 2163是正在碰撞和合并中的星系，它們將逐漸合并成一個橢圓星系。
距地球7000萬光年棒錘型的渦旋星系
？棒錘型的渦旋星系是中心呈長棒形狀的渦旋星系。一般的渦旋星系的中心是有圓核的，而棒錘型渦旋星系的中心是棒形狀，棒的兩邊有旋形的臂向外伸展。![E{RM_]HILO6NO5C$YK)3`{3](/blog/uploads/sites/29/2016/01/ERM_HILO6NO5CYK33.png)
獅子座中的渦旋星系
獅子座的渦旋星系NGC 3521，離我們約3500萬光年，有著明亮而致密的核心，以及細節(jié)豐富的旋臂結(jié)構(gòu)。 長約5萬光年的旋臂上點綴著大量恒星形成區(qū)，并遍布塵埃云的脈絡。它的旋臂很不規(guī)整，成為絮狀渦旋星系的典型代表。這類星系旋臂的界限不清，與那些具有明晰旋臂結(jié)構(gòu)宏偉渦旋星系形成鮮明對比。
太空版的《星月夜》19世紀人類最杰出的藝術家之一、荷蘭繪畫大師梵高（文森特？梵？高 Vincent Van Gogh ？1853年3月30日~1890年7月29日），是后期印象畫派的代表人物，其創(chuàng)作深深影響了20世紀的繪畫藝術，不少作品在全球廣為人知，極具藝術價值。梵高1889年在法國圣雷米修道院治病療養(yǎng)期間創(chuàng)作的名畫《星月夜》（STARRY NIGHT ， 73cm 92cm ），收藏于美國紐約現(xiàn)代美術館（Museum of Moder Art，New York）?！缎窃乱埂?被視為梵高最具風格的代表作之一。渦旋狀星云在畫中掃過夜空，手法大膽，震撼人心。參考文獻［1］已介紹畫評人對怎樣欣賞這幅名畫的參考意見。
2006年11月，天文學家們又評選出哈勃太空望遠鏡巡天16年的十佳照片，這張照片入選為十佳照片的第八張，并被天文學家命名為：“梵高的《星月夜》”，成為了《星月夜》的太空版。
美國宇航局2008年4月24日為哈勃太空望遠鏡18歲慶生，2010年4月24號又為哈勃太空望遠鏡20歲慶生，兩次慶生所公布的哈勃太空望遠鏡拍攝的精彩照片中，這張?zhí)瞻妗缎窃乱埂芬捕技喝脒x。
渦旋星系是尺度最大的渦旋
近代力學的奠基人之一、德國力學家普朗特（L.Prandtl）的學生、空氣動力學家屈西曼（D.K chemann）曾經(jīng)說過：“渦旋是流體運動的肌腱?！边@句流體力學中的至理名言，深刻概括了渦旋在流體運動中的作用。
在流體運動中存在著各種各樣的渦旋，從流體力學家H.J.Lugt 總結(jié)的各種渦旋的尺度譜表中，可見宇宙空間的渦旋星系，是大自然中尺度最大的渦旋，其尺度是“光年”。
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渦旋的名稱 |
渦尺度結(jié)構(gòu) |
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液氦中的量子渦 |
10-8cm |
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最小的湍流渦 |
0.1cm |
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昆蟲引起的渦旋 烏賊噴射的渦環(huán) |
0.1~10cm |
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塵卷 潮水中的渦旋 |
1~10m |
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火山爆發(fā)的渦環(huán) 熱對流云 |
100~1000m |
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灣流的渦旋 臺風 大氣高壓和低壓系統(tǒng) |
100~2000km |
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海洋環(huán)流 大氣環(huán)流 地球內(nèi)部的熱對流胞渦 |
2000~5000km |
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木星的紅斑 土星環(huán) 太陽黑子 |
5000~105km |
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渦旋星系 |
用光年計 |
在流體力學的教學與研究中，離不開渦旋。梵高的名畫《星月夜》，以及天文學家評選出的太空版《星月夜》，NASA公布的洋流版《星月夜》，都是形象描述流體渦旋的畫作與圖像。
參考文獻：
1. 王振東，梵高《星月夜》及其洋流版，力學與實踐，2012，34(4)：101~102
2, 王振東，峽江漱石水多漩 —漫談流體中的旋渦，力學與實踐，1995，17（2）：68~70
3. 王振東，流體渦旋漫談，現(xiàn)代物理知識，2012，24(2)：9~16
4. H.J.Lugt ，Vortex Flow in Nature and Technology，New York：John Wiley？ & Sons，1983
Vortexgalaxy and Sky edition's 《Starry Night》 WANG Zhendong