复工后堵车了?太阳也陷入了宇宙级的幽灵堵车中
2020-03-24 11:13

复工后堵车了?太阳也陷入了宇宙级的幽灵堵车中

本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:犀牛,头图来自:IC photo


最近各地陆续复工,马路上也恢复了往日的繁忙,而昨天上午的北京已重现早高峰拥堵:


@新京报


亲切又无奈的堵车,又回来了。不过最气人的是,有时路上并没有发生事故,也会莫名其妙的堵车,这就是传说中的“幽灵堵车”。堵车的源头就像看不见的幽灵一样让人们捉摸不透。


正如魔鬼藏在细节中,堵车的幽灵也藏在细节之中。当路上的车辆趋近饱和时,司机一个小小的动作可能就埋下了隐患,比如刹车稍微有点急,或者与前车车距有点近,等等;即使这些都没有,幽灵堵车还是有可能发生。


因为司机都是人,前后车的速度总会有微小的差别,这些差别在车流的传递中不断积累放大,导致某一处的车辆密度越来越大,最终形成拥堵。而拥堵的位置像波一样在车流中传递,正如下图模拟的情形。


幽灵堵车模拟动画 | Benjamin Seibold


像这样“堵车波”的速度一般比车速要慢,所以车辆总会摆脱拥挤的区域。


而我们的太阳也身陷银河系的“堵车波”中,却没能摆脱那片星海的拥堵路段。这片拥堵区域,有另外一个大家相对熟悉的名字——银河系旋臂。


太阳系在银河系中的位置


银河系中那一条条耀眼的光弧,就是它的旋臂。银河系共有4条主要旋臂,太阳系在靠近银河系边缘的一条小旋臂内。


我们原本以为星系旋臂的样子 | Wiki


这些盘状星系为何大多都有旋臂这样的结构?1960年以前,科学家一直没搞清楚这个问题的答案。根据当时的天文观测,靠近银河系中心的恒星绕银心一周所用的时间,比靠近边缘的恒星更短,那就意味着,随着恒星的移动旋臂的形态不能稳定存在。


依照观测结果,旋臂不能稳定存在 | Wiki


在当时著名天体物理学家本特•斯特龙根(Bengt Stromgren)组织的会议中,科学家再次讨论了这个疑问。而在场的一位著名应用数学家被这个问题吸引,并在会后决定,将研究重心转向这一问题。这位就是著名的华人科学家林家翘。


林家翘从小学习优异,一路走来身边都是大师,清华时物理老师是周培源,在加州理工攻读博士时师从空气动力学家冯•卡门,此外林家翘还和冯•诺依曼合作过……当然,当他决定转向研究天体物理方向时,他也已经是应用数学的大师了。


徐遐生与林家两家 | Notices of the ICCM


他受前人的启发,认为旋臂并不是固定恒星组成的结构,而是一组波。他很快组建了团队着手研究工作,在1962年又吸纳了一位19岁的麻省理工学院本科生从事研究工作,因为他的优异表现,林家翘开始指导这位本科生进行旋臂形成的研究。这位本科生就是后来著名天体物理学家徐遐生。


在1964年,他们就发表了密度波理论的论文,用以解释漩涡星系旋臂的形成。围绕银河系转动的恒星的轨道大多都是椭圆形的,而各个轨道的方向并不是相同的,当轨道方向发生一定变化,如下图中所示,就形成了螺旋臂的效果。


 Wiki


正如前面所述,组成旋臂的恒星并不是固定的,是有出有进的。当恒星走进旋臂区域时,因为这里恒星密集、引力加强,进来的恒星速度会减慢,就像在路上开车被别车,司机不得不减速一样;当恒星走出旋臂区域时,速度就会加快。虽然恒星在旋臂区域进进出出,但星系整体一直维持着旋臂的图案。


密度波理论解释的旋臂状态 | Wiki


是不是和幽灵堵车的波如出一辙?而且是串联加强版的幽灵堵车。


尽管密度波理论在细节上仍然存在一定的不确定性,但已经得到了很多观测和模拟的支持。在形态类似的土星环中,卡西尼号探测器就拍到了密度波。


土星环中的密度波 | NASA


既然恒星会穿过旋臂,为什么唯独太阳走不出旋臂这个“拥堵带”?


因为太阳公转轨道接近圆形,而且公转速度和旋臂的速度一致,所以太阳才没有穿越旋臂、在旋臂间忽快忽慢得飞驰。要知道旋臂如此耀眼是因为其内部极其凶险,聚集着大量的超新星以及能扰乱太阳系的辐射等等。而且太阳所在位置,和银河系其他位置相比,也不算太拥挤,和周围天体的“车距”也较远。因而地球才能获得相对稳定的环境,从而诞生生命。


巧的是,麻省理工学院去年的一项研究表明,控制好前后车距,让车尽可能保持在前后车的中间位置,能够缓解幽灵堵车。所以:


距离,产生美。


本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:犀牛

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