哈勃（1889～1953）

哈勃研究過(guò)約600個(gè)星系，其中17%是橢圓星系，50％是標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行分類，成為容易識(shí)別的序列。

在哈勃的星系分類中，包括外觀從圓形E0到橢圓形E7的橢圓星系，橢圓星系只有核球，沒有旋臂；用Ｓ代表具有渦旋結(jié)構(gòu)的星系。渦旋星系又分為 a、b、c三種次型：Sa型中心區(qū)大，稀疏地分布著緊卷旋臂；Sb型中心區(qū)較小，旋臂較大并較開展；Sc型中心區(qū)為小亮核，旋臂大而松弛。 哈勃認(rèn)為，有些星系中央有棒狀結(jié)構(gòu)，有些則沒有：SBa到SBc代表有中央棒狀結(jié)構(gòu)的渦旋星系，Sa到Sc是中央沒有棒狀結(jié)構(gòu)的渦旋星系。
在天體研究中首先引入渦旋觀念的是法國(guó)的笛卡爾，他提出了以太渦旋理論，認(rèn)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(guò)以太擠壓來(lái)傳遞的，天體在以太中運(yùn)行不會(huì)受到任何阻力。笛卡爾認(rèn)為，在自然界中只有通過(guò)物質(zhì)的接觸才能發(fā)生作用和產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。他想象一個(gè)粒子讓出了位置，則被臨近粒子占有，而空出的位置又同時(shí)為第三個(gè)粒子所有。粒子不斷調(diào)換位置，作循環(huán)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(shí)驗(yàn)，來(lái)支持笛卡爾的學(xué)說(shuō)。他把旋轉(zhuǎn)的水比作以太渦旋，認(rèn)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(jì)40年代﹐林德布拉德提出了用星系密度波來(lái)解釋渦旋結(jié)構(gòu)。他認(rèn)為旋臂并不是永遠(yuǎn)由一些固定的恒星組成的“物質(zhì)臂”﹐而是隨著時(shí)間的不同，會(huì)在這里聚集更多的恒星。
美藉華裔學(xué)者林家翹等，1964年提出了準(zhǔn)穩(wěn)渦旋結(jié)構(gòu)假說(shuō)﹐認(rèn)為渦旋星系的基態(tài)是穩(wěn)恒且又是軸對(duì)稱的。他們證明﹐渦旋結(jié)構(gòu)一旦形成就會(huì)長(zhǎng)期維持下去,還求出了密度波的色散關(guān)系，成功地解釋了許多觀測(cè)事實(shí)﹐同時(shí)又在密度波理論的基礎(chǔ)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(jī)制。
星系動(dòng)力學(xué)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(lái)的理論，也還帶有半經(jīng)驗(yàn)的性質(zhì)。
二．哈勃望遠(yuǎn)鏡和多姿多彩的渦旋星系
哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（Hubble Space Telescope）是以天文學(xué)家哈勃為名，由美國(guó)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(yuǎn)鏡。它1990年4月24日搭乘“發(fā)現(xiàn)號(hào)”航天飛機(jī)，順利進(jìn)入預(yù)定軌道，開始了孜孜不倦的巡天航程。這架太空望遠(yuǎn)鏡因位置在地球的大氣層之上，所以獲得了地基望遠(yuǎn)鏡所沒有的好處：影像不會(huì)受到大氣湍流的擾動(dòng)，視相度很高，又沒有大氣散射造成的背景光，還能觀測(cè)會(huì)被臭氧層吸收的紫外線。這是人類第一座巨型空間天文臺(tái)，填補(bǔ)了地面觀測(cè)的缺口，幫助天文學(xué)家解決了許多根本問(wèn)題，對(duì)天文物理有了更深入的認(rèn)識(shí)。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡充當(dāng)起人類觀測(cè)宇宙的眼睛，人們憑借它對(duì)天體精確的觀測(cè)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：

橫亙夜空的銀河系并非像天文學(xué)家原先猜測(cè)那樣，呈現(xiàn)規(guī)則的渦旋狀，而是有一條長(zhǎng)達(dá)27000光年的恒星棒，架在渦旋星系中間。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡1999年11月拍攝的大犬座內(nèi)的一對(duì)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(gè)橢圓星系。

棒錘型的渦旋星系是中心呈長(zhǎng)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。

獅子座的渦旋星系NGC 3521，離我們約3500萬(wàn)光年，有著明亮而致密的核心，以及細(xì)節(jié)豐富的旋臂結(jié)構(gòu)。 長(zhǎng)約5萬(wàn)光年的旋臂上點(diǎn)綴著大量恒星形成區(qū)，并遍布?jí)m埃云的脈絡(luò)。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(duì)比。

三．太空版的《星月夜》

19世紀(jì)人類最杰出的藝術(shù)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(jì)的繪畫藝術(shù)，不少作品在全球廣為人知，極具藝術(shù)價(jià)值。梵高1889年在法國(guó)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(guó)紐約現(xiàn)代美術(shù)館（Museum of Modern Art，New York）。《星月夜》 被視為梵高最具風(fēng)格的代表作之一。渦旋狀星云在畫中掃過(guò)夜空，手法大膽，震撼人心。參考文獻(xiàn)［1］已介紹畫評(píng)人對(duì)怎樣欣賞這幅名畫的參考意見。

有趣的是，在梵高《星月夜》問(wèn)世115年之后，美國(guó)宇航局和歐洲航天局2004年3月4日在公布“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡新拍攝的一張照片時(shí)稱，這幅太空攝影作品與梵高的名作《星月夜》有“異常相似”之處?！肮毙屡牡倪@張照片，反映的是一顆遙遠(yuǎn)恒星周圍的景象。這顆名為“V838 Mon”的恒星位于麒麟星座方向，距離地球2萬(wàn)光年。在照片上可以看到恒星周圍渦旋狀的塵埃云。據(jù)估計(jì)，這些渦旋狀塵埃云在星際空間中跨越有數(shù)萬(wàn)億公里。

2006年11月，天文學(xué)家們又評(píng)選出哈勃太空望遠(yuǎn)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(xué)家命名為：“梵高的《星月夜》”，成為了《星月夜》的太空版。

太空版《星月夜》，只是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡所拍攝到許多精彩的渦旋星系圖片中的一張。
美國(guó)宇航局2008年4月24日為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡18歲慶生，2010年4月24號(hào)又為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡20歲慶生，兩次慶生所公布的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的精彩照片中，這張?zhí)瞻妗缎窃乱埂芬捕技喝脒x。
四．渦旋星系是尺度最大的渦旋
近代力學(xué)的奠基人之一、德國(guó)力學(xué)家普朗特（L.Prandtl）的學(xué)生、空氣動(dòng)力學(xué)家屈西曼（D.K chemann）曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“渦旋是流體運(yùn)動(dòng)的肌腱?！边@句流體力學(xué)中的至理名言，深刻概括了渦旋在流體運(yùn)動(dòng)中的作用。
在流體運(yùn)動(dòng)中存在著各種各樣的渦旋，從流體力學(xué)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”。
在流體力學(xué)的教學(xué)與研究中，離不開渦旋。梵高的名畫《星月夜》，以及天文學(xué)家評(píng)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(xiàn)：

1. 王振東，梵高《星月夜》及其洋流版，力學(xué)與實(shí)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(xué)與實(shí)踐，1995，17（2）：68~70
3. 王振東，流體渦旋漫談，現(xiàn)代物理知識(shí)，2012，24(2)：9~16
4. H.J.Lugt ，Vortex Flow in Nature and Technology，New York：John Wiley？ & Sons，1983

轉(zhuǎn)載自《力學(xué)與實(shí)踐》第35卷第5期