密度波理論（英語：密度 wave theory），或稱林-徐密度波理論（Lin–Shu density wave theory），是一種解釋星系旋渦結構的理論。該理論由林家翹和徐遐生兩位天文物理學家在1960年代中期提出，用以解釋螺旋星系的旋臂結構。密度波理論引入了長期存在的理想準靜態密度波，即所謂的“heavy sound”，并假設星系盤的密度較高（大約高出10-20%）。這個理論不僅適用于星系，還成功地應用于土星環的研究。
簡介
密度波理論認為，星系的尾旋結構是一種波動圖案。旋臂區域里恒星密集，引力場強。但恒星并不是永遠停留在旋臂上。恒星按照近于圓形的軌道繞星系中心旋轉。在運動過程中，恒星將進入，然后再走出旋臂。恒星進入旋臂后由于旋臂區恒星密集和引力場強而減慢速度。但另一方面，速度的減慢又使恒星擠在一起 ，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。密度波理論成功地解釋了星系螺旋結構的本質和能夠長期維持的原因，并說明了許多觀測事實。
密度波的一個重要特點是﹐旋臂中的星不是一成不變的﹐恒星有進有出﹐川流不息﹐而旋臂圖案卻保持不變﹐旋臂不會纏卷起來。
問題提出
旋渦結構是旋渦星系的主要形態特征，在星系自轉時，內部角速度比外部角速度大，旋臂應該越纏越緊。據計算﹐在星系年齡內﹐旋臂應該完全纏繞在一起﹐然而觀測所見并非如此。有人認為維持旋渦結構的力量是星際磁場﹐但磁場實際強度不足以維持這種結構。
理論建立
1942年瑞典天文學家貝蒂爾·林德布拉德提出密度波理論。1964年以來﹐美籍科學家林家翹建立了系統的密度波理論。
密度波理論認為﹐恒星在繞中心旋轉時﹐繞轉的速度和空間密度都是波動變化的。運動慢則恒星密集﹐反之則稀疏﹐因而空間密度也呈現波動變化，這種波被稱為密度波。這種波既繞中心環行傳播﹐同時又沿半徑方向傳播﹐因而密度極大的波峰呈旋渦狀分布﹐從而形成旋臂。恒星進入旋臂后因為恒星密集和引力場加強而減慢速度﹔反過來﹐速度減慢使恒星“擁擠”一起﹐密度增大﹐引力場加強﹐因而使這種狀況得以自行維持。
根據林家翹的密度波理論模式﹐從星系應該遵循的引力場方程和動力學方程﹐得出準穩定的旋渦密度波解﹐說明了許多觀測事實。密度波理論成功地解釋了旋渦結構的本質和能夠維持的原因﹐但是關于旋臂的起源與演化等問題﹐仍需作進一步的研究。
密度波理論簡潔的解釋了宏相螺旋星系所觀測到的漩渦結構，比如波德星系和M74，但在解釋呈絮狀漩渦星系時，比如M33，理論就不那么成功了。這時則需結合漩渦結構的其他理論了。
理論驗證
國家天文臺侯立剛博士和韓金林研究員綜合已有的多波段的中國空間站工程巡天望遠鏡數據，重新測定了年老恒星、電離氣體、分子氣體和原子氣體所指示的旋臂切線方向。他們發現不同的氣體成分指示的旋臂位置比較一致，但與年老恒星指示的旋臂有幾百光年（約150pc-400pc）的偏移。這個偏移量與銀河系旋臂的典型寬度相當。與準穩態密度波理論的預言是一致。
參考資料 >