20世纪30年代，人们开始破解银河系结构之谜。40年代，荷兰科学家赫尔斯特认为冷氢能发出一种射电辐射。当时德国占领着荷兰，科研陷于停顿。到1951年，探测这种辐射的工作由美国天文学家尤恩和珀塞尔完成。
这项探测工作非常重要，于是在测定氢云的分布和运动的基础上，揭示了银河系的螺旋结构，进而发现许多河外星系也是螺旋结构。
到现在为止，人们已发现银河系有四条对称的旋臂，即靠近银心方向的人马座主旋臂，猎户座旋臂和英仙座旋臂，太阳就位于猎户座旋臂的内侧。20世纪70年代期间，人们探测银河系一氧化碳分子的分布，又发现了第四条旋臂，它跨越狐狸座和天鹅座。1976年，两位法国天文学家绘制出这四条旋臂在银河系中的位置，这是迄今最好的银河系旋涡结构图像。
为什么银河系会存在旋涡结构呢？一般说法是由于银河系的自转形成的。20世纪20年代，荷兰天文学家奥尔特证明，恒星围绕银心旋转就像行星围绕太阳一样，并且距银心近的恒星运动得快，距离远的运动得慢。他算出太阳绕银心的公转速度为每秒220千米，绕银心一周要花2.5亿年。
为什么会存在旋臂构造呢？按说，这些旋臂随银河系运转应越缠越紧。太阳绕银心已转了约20周了，应缠得很紧了，看不到旋臂了。为此，1942年，瑞典天文学家林德布拉德提出“密度波”概念。1964年，美籍华裔科学家林家翘发表了系统的密度波理论，初步解释了旋臂的稳定性。
1982年，美国天文学家贾纳斯和艾德勒完成对银河系434个银河星图的图表绘制，发表了每个星团的距离和年龄。他们发现，银河系并没有旋涡结构，而只是一小段一小段地零散旋臂，旋涡只是一种“幻影”，这是因为银河系各处产生的恒星总是沿银河系旋转方向形成一种“串珠”。而不断产生的新恒星连续地显现着旋涡的幻影。
这的确是一次严重的挑战，至今还难于回答银河系究竟有没有旋涡结构，是大尺度连续的双臂或四臂结构，还是零散的。
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