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星中以及超新星爆发过程中产生的。可见银晕恒星和银盘恒星的化学成分差异和恒星中的核反应情况有关。在银河系刚形成之时或其后不久，银晕恒星便由几乎不包含重元素的物质中诞生出来。其中的大质量星演化得最快，它们所产生的超新星使星际气体沾染了重元素。可是这一代恒星中的小质量却演化得非常缓慢，以至它们的外层物质（以及它们之中的大多数星的中心区域）当前仍不包含重元素。在银晕恒星已经形成，其中质量较大的已经爆炸后，新一代恒星又从新增重元素的星际气体中产生出来。这些恒星诞生在银晕恒星之后，相对年轻，而它们的外层物质比银晕恒星的大气所包含重元素的比例要高。这就是为什么银河系中老一代恒星包含重元素比年轻一代恒星要少的原因。最新一代恒星的外层重元素含量最高，这是因为孕育它们的星际物质在银河系的演变史中经历了以前所有各代恒星所造成的沾染。那么，为什么含重元素贫乏的年老恒星出现在银晕中，而含重元素丰富的恒星则出现在银盘中呢？当前，人们相信自己对银河系结构的规律是了解的。为此我们要重温一下学生时代的一章物理课内容。
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角动量和坍缩云几条“守恒定律”大大简化了人们对物理世界的描述。在日常生活中人们反复不断地运用着这些定律而并不自觉。我们都记得在中学里所学过的质量守恒定律和能量守恒定律。这两条定律我们天天在用。我们大家都知道一个生动的应用实例。一位花样滑冰女运动员以脚尖着地旋转时，起先她伸展双臂转得很慢；当她收拢双臂时，不需外力之助就转得快了起来。这就是角动量守恒的结果。从冰上舞蹈家转而考虑一团自转云，虽然优美度稍逊，却是条理清楚。这个云团可能1000万年自转1周。当它坍缩到直径为原来的1/10时，它的自转就加快百倍，也就是自转一周只要10万年。再小下去，转得还要更快。粗略地说，一团近似地取为球状的星际云在坍缩过程中，单位时间内的转数和表面积相乘等于常数，即云团愈小转得愈快。但是离心力也就愈来愈大，在自转云赤道区它和引力对抗，使坍缩着的云团变成扁形。这不仅影响单独恒星的诞生，而且也和银河系的起源有关。探查银河系的演变史银河系从何而生，我们还不知道。在宇宙初期就产生并向各方飞散的物质中，一定是在某个时候形成了一个质量约为太阳的千亿倍的分立云团，而且后来密度变得更大。这团由湍动物质逐步成形的气体和一切物质一样，同时也产生了自转运动。它慢慢坍缩，密度变大到足以产生一批次级云团，而后者又分裂成更小的，密度继续增高的许多气体云。最早的恒星诞生了。它们只包含氢和氦，以质子…质子反应进行氢聚变。但是要不了多久，其中质量最大的那些星的核燃料就会耗尽，成为超新星而爆散，大量气体物质中从此新添了比氦更重的元素。因为这一切都发生在整个原始银河系云团还几乎是球形的时期＇见图12…4（a）＇，所以银河系中最老的恒星和极老的星团都处在银晕中。早在银河系呈现圆盘形以前，远在太阳诞生以前，银晕恒星就已出世了。重元素在这些星中还只是相当稀少的杂质。但是演变在继续推进。星际气体中的重元素不断增多，并且沉积在已经演化恒星所抛出的凝聚核上而形成尘埃颗粒。不久以后，自转运动明显了，密度继续增大的气体尘埃物质撇开球状银晕中那些早已诞生的恒星和星团而渐渐形成一个愈来愈扁的东西＇参看图12…4（c）＇。于是新生恒星的场所只剩下这个愈来愈扁的透镜状区域，而形成它们的物质的重元素含量愈来愈丰富。当最近期恒星终于在银盘中诞生出来时，大部分星际气体已
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经耗尽。恒星起源的第一阶段结束了。奥林·J·埃根（OlinJ。Eggen）、唐纳德·林登…贝尔（DonaldLynden…Bell）和艾伦·R·桑德奇1962年在美国加利福尼亚州帕萨迪纳提出了关于银河系如何形成的宏伟总体图。从那时以来虽然已经过去了20多年，但是它对人们的吸引力和当年相比仍然毫不逊色，因为它能够说明银河系的主要特点：最老的恒星位于球对称形状的银晕中，重元素贫乏；最年轻的恒星目前诞生在一个薄盘中，因为只有那里还有星际气体。我们所处的这一恒星系统之所以成为一个圆盘，是由于孕育银河系的云团始终包含角动量。我们看到天上有一条银河，也要归因于这种角动量。恒星的形成是什么引起的当前，是什么原因使星际物质在银盘内某些场所密聚而形成恒星？为什么银河系中别处没有恒星诞生？从宇宙空间远处看来，银河系有点像仙女座星云：旋涡结构明显的一个扁盘（见图0…1）。别的恒星系统中有的旋涡结构比它要明显很多（见图0…4）。遥远恒星系统的图片上旋臂之所以显得突出，是因为其中电离氢受激而发光。但是我们由猎户星云已经知道，氢是被强光度大质量主序星所电离的。所以，旋臂就是年轻恒星所在之处，也就是恒星正在诞生的场所。在银河系中，年轻恒星也正是密密麻麻沿着旋臂分布的。另一方面，用了射电天文方法人们已经能够把银河系中星际气体的分布探查得非常确切；人们发现，旋臂区的气体密度比银盘其他各处更高。结果是：旋臂是气体密度较高的所在，同时也是年轻恒星集中的所在。问题是：使得星系看起来好像滚动火轮的旋臂结构又从何而来？对旋臂的了解是长期以来的特殊难题。直到现在人们也还没有把有关的现象完全认识清楚。恒星系统在自转。测量了它们的自转速度（参阅附录A），人们了解到它们并不是像刚体那样自转，而是愈往外自转速度愈慢，星系中靠近内心的区域自转一周需时较短。乍看起来，星系出现旋臂结构似乎不足为怪。就连一杯咖啡加牛奶，搅拌起来也会出旋臂式的花样，这是因为离中心不同距离的液体转速不同。因此人们就会推想，不管一个星系的初始结构怎么样，由于转速不同，转到后来都要变成旋臂模样。卡尔·弗里德里希·冯·魏茨泽克说过，即使当初银河系长得就像一头牛一样，如今也会展现旋臂。若干年前我们在哥廷根对冯·魏茨泽克所提的牛状银河系作了试探性计算，直到不久前还在汉堡任教的阿尔弗雷德·倍尔（AlfredBehr）当时向我们提供了帮助。得到的结果画在图12…5中：大多数恒星还没有来得及绕中心转满一圈，牛状星系竟然化为一幅绝
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美的旋涡星系，可惜多出了一个挂钩。从随意决定的初始结构到形成旋臂图样，要不了1亿年，但银河系的年龄比这要大百倍。那么初始结构那么多次所形成的旋臂早就该套叠卷紧到惊人的地步，在中心周围缠绕百圈以上的旋臂应该形成了像密纹唱片那样的密纹，但是人们并没有观测到这样的情况。像图0…4那样，星系的旋臂并非上百层缠绕，所以它们并不可能是初始结构的残余。既然实测到的旋涡星系没有哪一个表现一套极细密的旋臂，我们只好认为旋臂并不是套叠卷紧的。可是组成它们的恒星和气体都参与缠绕自转运动，这个难题又怎样解释呢？只有一个办法。一定要放弃旋臂似乎总是由同一批物质组成的那种概念，可以设想，恒星和气体横穿旋臂穿越过去。虽然恒星和气体参与星系的自转运动，但旋臂本身只是反映恒星和气体暂时正在穿越过去的一种特殊状态。在我们的日常生活中就可以举出类似的现象。一股气体火焰也并非总是由同一物质所组成。它只不过是经由它流过的一束气流的一段特定状态，而气流的分子之间在火焰里发生着一种特定的化学反应。那么旋臂无非就是自转着的星系圆盘中大规模迁移的恒星流与气体流达到某种特定状态的所在。是星系全部物质的引力特性在维持着这种特定状态。下面就来谈谈这个问题。■旋臂究竟是什么自然界的流动过程往往造成规则的形象。风和水相互作用引起澎湃的波涛，以均匀的节奏拍击海滩。平坦沙滩近旁的海底表现出规则的波纹，把不同密度和温度的几种液体小心地混和，也往往出现各种图形。可可凉下来的时候，表面形成规则的花样。在引力和离心力相互作用的支配下，在一个圆盘里围绕公共中心运转的群星，也表现出构成图样的倾向。让我们来设想一下，大量恒星聚集在一个旋转圆盘里，那么离心力和引力在圆盘的一切场所都保持相互平衡，但一般情况下这种平衡是不稳定的。只要某一处包含的星数偶然过密，它们就会更进一步相互吸引，就像星际气体的不稳定状态导致恒星的诞生那样。不过在这样的情况下，还有离心力这一重要因素，因此，演变过程也就比较复杂。我们不妨用计算机来模拟求解。图12…6是用计算机所得200000颗星在一个旋转圆盘中的运动情况。恒星构成了一套旋臂！因为包含的恒星并非一成不变，所以旋臂不会卷成一团。恒星一批批地流过旋臂！当恒星沿着它们的类似圆形的轨道飞进一条旋臂时，它们就彼此挤紧。当它们离开旋臂而去时，它们就彼
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此松开。所以说，正像火焰是气体分子发生化学反应的地方那样，旋臂是恒星相互挨紧的场所。旋臂中单位体积内的恒星数量比圆盘中其他处要多。这一点在图12…6中看得很清楚，而在真实的星系中这类稠密区却小得很难观测出来。幸而，和恒星一样参与星系自转的星际物质在穿经旋臂时密度也增高了！这样的密度升高也就为恒星的诞生创造了所需的条件。所以旋臂成了恒星产生的所在，新生恒星中的大质量强光度蓝星则激发近处的气体使之放光。使旋臂成为触目壮观的不是密集紧挨的群星，却是发射强光的氢云。我们已经结识了猎犬星座中的那个星系，图0…4是它的照片。我们�