涡旋星系与太空版《星月夜》

王 振 东（天津大学力学系，天津300072）

摘要：涡旋星系是大自然中尺度最大的流体涡旋。哈勃望远镜拍摄到许多很美妙的涡旋星系照片，使我们认识到在宇宙中有那么多姿多态的星系，涡旋星系是其存在的常态之一。天文学家评选出哈勃望远镜巡天16年的十佳照片的第八张，被命名为《星月夜》的太空版，它与梵高《星月夜》和NASA公布的洋流版《星月夜》，都是形象描述流体涡旋的画作与图像。
关键词：梵高；星月夜；流体涡旋；涡旋星系；哈勃望远镜

哈勃和星系分类“音叉图”

哈勃（Edwin Powell Hubble，1889.11.20～1953.9.28），美国天文学家，观测宇宙学的开创者。1889年11月20日生于美国密苏里州马什菲尔德，1953年9月28日卒于美国加州圣马力诺。
哈勃对20世纪天文系作出许多贡献，被尊为一代宗师。其中最重大贡献有二：一是确认星系是与银河系相当的恒星系统，开创了星系天文学，建立了大尺度宇宙的新概念；二是发现了星系的红移-距离关系，促使现代宇宙学的诞生。

 哈勃（1889～1953）

哈勃研究过约600个星系，其中17%是椭圆星系，50％是标准涡旋星系，30%是棒旋星系，而不规则星系只占3%.
1926年，哈勃提出了著名的星系分类“音叉图”，试图将繁多的星系用外观进行分类，成为容易识别的序列。

哈勃的星系分类“音叉图”

在哈勃的星系分类中，包括外观从圆形E0到椭圆形E7的椭圆星系，椭圆星系只有核球，没有旋臂；用Ｓ代表具有涡旋结构的星系。涡旋星系又分为 a、b、c三种次型：Sa型中心区大，稀疏地分布着紧卷旋臂；Sb型中心区较小，旋臂较大并较开展；Sc型中心区为小亮核，旋臂大而松弛。 哈勃认为，有些星系中央有棒状结构，有些则没有：SBa到SBc代表有中央棒状结构的涡旋星系，Sa到Sc是中央没有棒状结构的涡旋星系。
在天体研究中首先引入涡旋观念的是法国的笛卡尔，他提出了以太涡旋理论，认为以太是一种非常稀薄的连续流体，没有重量，物体作用是通过以太挤压来传递的，天体在以太中运行不会受到任何阻力。笛卡尔认为，在自然界中只有通过物质的接触才能发生作用和产生运动。他想象一个粒子让出了位置，则被临近粒子占有，而空出的位置又同时为第三个粒子所有。粒子不断调换位置，作循环的旋转运动，结果就形成了物质的涡流。1669年，荷兰的惠更斯以水碗里的涡旋把涂蜡的卵石拉向碗中心的实验，来支持笛卡尔的学说。他把旋转的水比作以太涡旋，认为以太由于旋转而具有了力图离开中心物体的倾向，从而又迫使其中的物体向中心物体靠拢。

涡旋星系通常具有明亮的旋臂。20世纪40年代﹐林德布拉德提出了用星系密度波来解释涡旋结构。他认为旋臂并不是永远由一些固定的恒星组成的“物质臂”﹐而是随著时间的不同，会在这里聚集更多的恒星。
美藉华裔学者林家翘等，1964年提出了准稳涡旋结构假说﹐认为涡旋星系的基态是稳恒且又是轴对称的。他们证明﹐涡旋结构一旦形成就会长期维持下去,还求出了密度波的色散关系，成功地解释了许多观测事实﹐同时又在密度波理论的基础上﹐研究了大尺度的星系激波﹐为解释恒星的形成提供了一种可能的机制。
星系动力学的研究虽然成果己不少﹐但涡旋结构的起源至今仍未能弄清楚﹐就是已经建立起来的理论﹐也还带有半经验的性质。

哈勃望远镜和多姿多彩的涡旋星系

哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope）是以天文学家哈勃为名，由美国宇航局和欧洲航天局共同管理，在轨道上环绕地球的望远镜。它1990年4月24日搭乘“发现号”航天飞机，顺利进入预定轨道，开始了孜孜不倦的巡天航程。这架太空望远镜因位置在地球的大气层之上，所以获得了地基望远镜所没有的好处：影像不会受到大气湍流的扰动，视相度很高，又没有大气散射造成的背景光，还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。这是人类第一座巨型空间天文台，填补了地面观测的缺口，帮助天文学家解决了许多根本问题，对天文物理有了更深入的认识。

运行在环绕地球轨道上的哈勃太空望远镜

 展开了太阳能电池板的哈勃太空望远镜

哈勃太空望远镜充当起人类观测宇宙的眼睛，人们凭借它对天体精确的观测能力，揭示了更多宇宙的奥秘。从下面几张它拍摄的图片，我们可以看到几张典型的涡旋星系图片：

 涡旋状的银河系(太阳在箭头指处)

横亘夜空的银河系并非像天文学家原先猜测那样，呈现规则的涡旋状，而是有一条长达27000光年的恒星棒，架在涡旋星系中间。

大犬座的一对涡旋星系

哈勃太空望远镜1999年11月拍摄的大犬座内的一对涡旋星系，NGC 2207和IC 2163是正在碰撞和合并中的星系，它们将逐渐合并成一个椭圆星系。

距地球7000万光年棒锤型的涡旋星系

？棒锤型的涡旋星系是中心呈长棒形状的涡旋星系。一般的涡旋星系的中心是有圆核的，而棒锤型涡旋星系的中心是棒形状，棒的两边有旋形的臂向外伸展。

 狮子座中的涡旋星系

狮子座的涡旋星系NGC 3521，离我们约3500万光年，有着明亮而致密的核心，以及细节丰富的旋臂结构。 长约5万光年的旋臂上点缀着大量恒星形成区，并遍布尘埃云的脉络。它的旋臂很不规整，成为絮状涡旋星系的典型代表。这类星系旋臂的界限不清，与那些具有明晰旋臂结构宏伟涡旋星系形成鲜明对比。

 太空版的《星月夜》
19世纪人类最杰出的艺术家之一、荷兰绘画大师梵高（文森特？梵？高 Vincent Van Gogh ？1853年3月30日~1890年7月29日），是后期印象画派的代表人物，其创作深深影响了20世纪的绘画艺术，不少作品在全球广为人知，极具艺术价值。梵高1889年在法国圣雷米修道院治病疗养期间创作的名画《星月夜》（STARRY NIGHT ， 73cm 92cm ），收藏于美国纽约现代美术馆（Museum of Moder Art，New York）。《星月夜》 被视为梵高最具风格的代表作之一。涡旋状星云在画中扫过夜空，手法大胆，震撼人心。参考文献［1］已介绍画评人对怎样欣赏这幅名画的参考意见。

有趣的是，在梵高《星月夜》问世115年之后，美国宇航局和欧洲航天局2004年3月4日在公布“哈勃”太空望远镜新拍摄的一张照片时称，这幅太空摄影作品与梵高的名作《星月夜》有“异常相似”之处。“哈勃”新拍的这张照片，反映的是一颗遥远恒星周围的景象。这颗名为“V838 Mon”的恒星位于麒麟星座方向，距离地球2万光年。在照片上可以看到恒星周围涡旋状的尘埃云。据估计，这些涡旋状尘埃云在星际空间中跨越有数万亿公里。

2006年11月，天文学家们又评选出哈勃太空望远镜巡天16年的十佳照片，这张照片入选为十佳照片的第八张，并被天文学家命名为：“梵高的《星月夜》”，成为了《星月夜》的太空版。

太空版《星月夜》，只是哈勃太空望远镜所拍摄到许多精彩的涡旋星系图片中的一张。
美国宇航局2008年4月24日为哈勃太空望远镜18岁庆生，2010年4月24号又为哈勃太空望远镜20岁庆生，两次庆生所公布的哈勃太空望远镜拍摄的精彩照片中，这张太空版《星月夜》也都己入选。

涡旋星系是尺度最大的涡旋
近代力学的奠基人之一、德国力学家普朗特（L.Prandtl）的学生、空气动力学家屈西曼（D.K chemann）曾经说过：“涡旋是流体运动的肌腱。”这句流体力学中的至理名言，深刻概括了涡旋在流体运动中的作用。
在流体运动中存在着各种各样的涡旋，从流体力学家H.J.Lugt 总结的各种涡旋的尺度谱表中，可见宇宙空间的涡旋星系，是大自然中尺度最大的涡旋，其尺度是“光年”。

涡旋的名称	涡尺度结构
液氦中的量子涡	10-8cm
最小的湍流涡	0.1cm
昆虫引起的涡旋 乌贼喷射的涡环	0.1~10cm
尘卷 潮水中的涡旋	1~10m
火山爆发的涡环 热对流云	100~1000m
湾流的涡旋 台风 大气高压和低压系统	100~2000km
海洋环流 大气环流 地球内部的热对流胞涡	2000~5000km
木星的红斑 土星环 太阳黑子	5000~105km
涡旋星系	用光年计

各种流体涡旋的尺度谱
在流体力学的教学与研究中，离不开涡旋。梵高的名画《星月夜》，以及天文学家评选出的太空版《星月夜》，NASA公布的洋流版《星月夜》，都是形象描述流体涡旋的画作与图像。
参考文献：
1. 王振东，梵高《星月夜》及其洋流版，力学与实践，2012，34(4)：101~102
2, 王振东，峡江漱石水多漩 —漫谈流体中的旋涡，力学与实践，1995，17（2）：68~70
3. 王振东，流体涡旋漫谈，现代物理知识，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