密度波理论（英语：密度 wave theory），或称林-徐密度波理论（Lin–Shu density wave theory），是一种解释星系旋涡结构的理论。该理论由林家翘和徐遐生两位天文物理学家在1960年代中期提出，用以解释螺旋星系的旋臂结构。密度波理论引入了长期存在的理想准静态密度波，即所谓的“heavy sound”，并假设星系盘的密度较高（大约高出10-20%）。这个理论不仅适用于星系，还成功地应用于土星环的研究。

简介

密度波理论认为，星系的尾旋结构是一种波动图案。旋臂区域里恒星密集，引力场强。但恒星并不是永远停留在旋臂上。恒星按照近于圆形的轨道绕星系中心旋转。在运动过程中，恒星将进入，然后再走出旋臂。恒星进入旋臂后由于旋臂区恒星密集和引力场强而减慢速度。但另一方面，速度的减慢又使恒星挤在一起 ，密度增大，引力场加强 ，因此，一旦出现了旋臂图案，这种图案将自行维持。密度波理论成功地解释了星系螺旋结构的本质和能够长期维持的原因，并说明了许多观测事实。

密度波的一个重要特点是﹐旋臂中的星不是一成不变的﹐恒星有进有出﹐川流不息﹐而旋臂图案却保持不变﹐旋臂不会缠卷起来。

问题提出

旋涡结构是旋涡星系的主要形态特征，在星系自转时，内部角速度比外部角速度大，旋臂应该越缠越紧。据计算﹐在星系年龄内﹐旋臂应该完全缠绕在一起﹐然而观测所见并非如此。有人认为维持旋涡结构的力量是星际磁场﹐但磁场实际强度不足以维持这种结构。

理论建立

1942年瑞典天文学家贝蒂尔·林德布拉德提出密度波理论。1964年以来﹐美籍科学家林家翘建立了系统的密度波理论。

密度波理论认为﹐恒星在绕中心旋转时﹐绕转的速度和空间密度都是波动变化的。运动慢则恒星密集﹐反之则稀疏﹐因而空间密度也呈现波动变化，这种波被称为密度波。这种波既绕中心环行传播﹐同时又沿半径方向传播﹐因而密度极大的波峰呈旋涡状分布﹐从而形成旋臂。恒星进入旋臂后因为恒星密集和引力场加强而减慢速度﹔反过来﹐速度减慢使恒星“拥挤”一起﹐密度增大﹐引力场加强﹐因而使这种状况得以自行维持。

根据林家翘的密度波理论模式﹐从星系应该遵循的引力场方程和动力学方程﹐得出准稳定的旋涡密度波解﹐说明了许多观测事实。密度波理论成功地解释了旋涡结构的本质和能够维持的原因﹐但是关于旋臂的起源与演化等问题﹐仍需作进一步的研究。

密度波理论简洁的解释了宏相螺旋星系所观测到的漩涡结构，比如波德星系和M74，但在解释呈絮状漩涡星系时，比如M33，理论就不那么成功了。这时则需结合漩涡结构的其他理论了。

理论验证

国家天文台侯立刚博士和韩金林研究员综合已有的多波段的中国空间站工程巡天望远镜数据，重新测定了年老恒星、电离气体、分子气体和原子气体所指示的旋臂切线方向。他们发现不同的气体成分指示的旋臂位置比较一致，但与年老恒星指示的旋臂有几百光年（约150pc-400pc）的偏移。这个偏移量与银河系旋臂的典型宽度相当。与准稳态密度波理论的预言是一致。

参考资料