關於宇宙的起源，現在最具有影響力的就是大爆炸宇宙論，約150億年前，存在體積無限小，密度無限大，溫度無限高，時空曲率無限大的奇點，宇宙和一切的一切在大爆炸的一瞬間後才存在。空間、時間，以及一切的物質和能量都來自於奇點，然後在爆炸後漸漸膨脹冷卻，導致了幾十億年後分佈在數百上千億光年內的原子、恆星、星系、星系團的誕生，它們構成了我們今天看到的可觀測宇宙。

而我們則身處於銀河系之中，如果我們仔細觀測銀河系的模型，會發現銀河系存在著明顯的螺旋臂，旋臂都在恆星富集之處，主要成員大都是明亮的年輕恆星，以及由之產生的稠密氣體——塵埃雲，其中有許多電離狀態的氫雲（即電離氫區），新的恆星以特別高的速率在旋臂處生成。為什麼銀河系會存在螺旋臂呢？

銀河系的確定

銀河系是地球和太陽所屬的星系。因其主體部分投影在天球上的亮帶被中國稱為銀河而得名。銀河系的發現經歷了漫長的過程。

望遠鏡發明後，伽利略首先用望遠鏡觀測銀河，發現銀河由恆星組成。而後，T.賴特、I.康德、J.H.朗伯等認為，銀河和全部恆星可能集合成一個巨大的恆星系統。

18世紀後期，F.W.赫歇爾用自制的反射望遠鏡開始恆星計數的觀測，以確定恆星系統的結構和大小，他斷言恆星系統呈扁盤狀，太陽離盤中心不遠。

他去世後，其子J.F.赫歇爾繼承父業，繼續進行深入研究，把恆星計數的工作擴充套件到南天。20世紀初，天文學家把以銀河為表觀現象的恆星系統稱為銀河系。J.C.卡普坦應用統計視差的方法測定恆星的平均距離，結合恆星計數，得出了一個銀河系模型。

在這個模型裡，太陽居中，銀河系呈圓盤狀，直徑8千秒差距，厚2千秒差距。H.沙普利應用造父變星的周光關係，測定球狀星團的距離，從球狀星團的分佈來研究銀河系的結構和大小。他提出的模型是：銀河系是一個透鏡狀的恆星系統，太陽不在中心。

沙普利得出，銀河系直徑80千秒差距，太陽離銀心20千秒差距。這些數值太大，因為沙普利在計算距離時未計入星際消光。20世紀20年代，銀河系自轉被發現以後，沙普利的銀河系模型得到公認。

銀河系平面圖

後來，哈勃觀測了許多星系後，試圖依照形態加以分類。他在1926年提出第一種分類法後，一再修正，現代星系的分類最終確定。

目前科學家可以粗略地將星系劃分出橢圓星系、透鏡星系、漩渦星系、棒旋星系和不規則星系等五種。

過去銀河系被認為與仙女座星系一樣是一個旋渦星系。但從80年代開始，天文學家懷疑銀河系是一個棒旋星系而不是一個普通的旋渦星系。2005年，斯必澤空間望遠鏡證實了這項懷疑，還確認了在銀河核心的棒狀結構比預期的還大。

棒旋星系核心有明亮的恆星湧出聚整合短棒，並橫越過星系的中心。簡單來說，棒旋星系可以清楚看出幾條主要旋臂，而旋渦星系則沒有明顯的旋臂，更像一個旋渦。

而最新研究發現銀河系可能只有兩條主要旋臂——人馬座旋臂和矩尺座旋臂，其絕大部分是氣體，只有少量恆星點綴其中。

太陽系所在的獵戶座旋臂不是一個主要的旋臂，而是人馬座和英仙座之間恆星和氣體的增強。應該強調的是，旋臂之間的恆星數量幾乎與旋臂中的恆星數量相同。螺旋星系的旋臂之所以如此“明顯”，是因為在旋臂中發現了最亮的恆星。旋臂是旋渦星系中恆星形成的主要區域，這是發現大多數主要星雲的地方。

銀河系“螺旋臂”形成的原因

銀河系物質的主要部分組成一個薄薄的圓盤，叫做銀盤。銀盤中心隆起的近似於球形的部分叫做核球，在核球區域恆星高度密集。核球中心有一個很小的緻密區，叫做銀核。銀盤外面是一個範圍更大，近於球形的區域，其中物質密度比銀盤中低得多，叫做銀暈。銀暈外面還有銀冕，它的物質分佈大致也呈球形。

對銀河系螺旋結果的觀測主要有兩種方法。

第一種方法是研究星系平面上的中性氫（HI）密度，因為它在旋臂中得到增強。1958年，簡·奧爾特、弗蘭克·克爾和加特·韋斯特霍特首次嘗試了這種方法。他們利用荷蘭和澳洲的射電望遠鏡研究了作為螺旋星雲的銀河系。早期版本的地圖（左側不完整）顯示了螺旋臂的不同部分。

第二種方法是繪製通常在旋臂中形成的巨大HII區域（電離氫的明亮星雲）。這是1976年伊馮和伊馮·喬治林的嘗試。他們研究了由H-II區域確定的我們星系的螺旋結構。他們的地圖使他們能夠確定旋臂的位置。

銀河系螺旋臂曾經讓科學家十分迷惑不解，銀河系的螺旋臂究竟是怎麼樣產生的，它們為什麼不會越纏越緊，最終完全纏繞在一起，最終使旋臂消失殆盡，銀河系究竟是維持住這樣的結構的，這些問題曾經困擾了很多的科學家。現在普遍被接受的理論是密度波理論。

20 世紀四十年代，天文學家林德布拉德看見一群海鷗掠過水麵，激起了無數漣漪。靈光一閃，由此，星系旋臂結構形成的著名假說——“密度波理論”就誕生了。

林德布拉德提出如果把星系比作流體而不是剛體，把星系裡的無數恆星比作旋渦運動的水分子，那旋臂結構可以看成是種流體波，即密度波或壓縮波。旋臂並非剛性的物質臂，而是由於路經這些區域的恆星和星際氣體以及塵埃因引力作用而密集，密度加大而速度減慢，過了旋臂則因密度減小而加快了速度。旋臂中的“居民”不是一成不變的，而是川流不息的。

其中密度波是指使旋渦星系巨集觀影象保持準穩狀態的物質密度和速度的波動。

當時林家翹對於林德布拉德的密度波理論表示認同，憑藉著自己在數學上深厚的功底，林家翹經過艱苦的計算，他建立了螺旋密度波理論。按照該理論，旋臂是恆星、塵埃等天體繞星系中心運動時空間分佈較密集的區域，兩個旋臂之間較暗的部分，則只有較少的天體。組成旋臂的天體並非始終處於旋臂中，而是有進有出。換句話說，人們看到的旋臂，是密佈其中的恆星發出的光，而非星系長出的“肢體”。

林家翹指出旋渦結構並不是永遠由同一批物質組成。它實質上是物質集中處低引力勢區的波動狀圖案。恆星並不是永遠停留在旋臂上。恆星按照近於圓形的軌道繞星系中心旋轉。在運動過程中，恆星將進入，然後再走出旋臂。恆星進入旋臂後由於旋臂區恆星密集和引力場強而減慢速度。但另一方面，速度的減慢又使恆星擠在一起 ，密度增大，引力場加強 ，因此，一旦出現了旋臂圖案，這種圖案將自行維持。

換句話說，旋臂由密度波波峰的跡線構成。波形圖案並不與物質相聯，而是以不同的角速度運動。相對運動速度平均約30千米/秒。正是這種運動維持了旋渦星系的規整外貌，也解決了固定物質旋臂因較差自轉帶來的纏繞困難。

而恆星進入旋臂引力勢阱後，在那裡停留一段時間再隨軌道運動出來。星際氣體在進入懸臂時受到突然壓縮，可能觸發恆星形成，林家翹的密度波理論成功地解釋了明亮年輕恆星集中分佈在懸臂上的現象。

簡而言之，從銀河系中心向外引力場就像波紋一樣，從而產生出旋臂結構。我們看到的螺旋狀的旋臂，是密度波，而不是真的旋臂。只是因為那裡的恆星比較多而已，但是組成旋臂的恆星是不斷變化的，恆星不斷地進出旋臂，但總是保持了在一定空間區域上的密度比較多的樣子。而這就形成了我們看到螺旋狀結構。

總結

林家翹還建立了密度波理論模型，通過將數值帶入模型，銀河系的螺旋臂都能與理論模型相吻合。

我們剛剛說太陽系所在的獵戶座旋臂不是一個主要的旋臂，而是人馬座和英仙座之間恆星和氣體的增強。就是林家翹所提出的。

當時大家都認為獵戶座是銀河系的主旋臂，所以當時著名天文學家袁旗算出了一個數值，然而將這個數值代入理論模型後，銀河系的獵戶臂始終無法與理論模型吻合。

林家翹則提出，獵戶臂不是銀河系的主旋臂，而是一個枝節，因此不完全適用於模型。林家翹的言論打破了當時天文學界的固有印象，但是後來經過仔細觀測，林家翹的言論得到了證實，現在，這一論斷已被天文學界廣泛接受。

現在密度波理論已經成為天文學中解釋部分旋渦星系旋臂產生的公認理論。而隨著對宇宙認知的不斷加深，還會有更多的問題在等著我們去揭開謎底。