恒星的艰难诞生

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1、恒星的艰难诞生恒星的艰难诞生来自：科学松鼠会 发表于：8月18日 8:50 阅读原文 分享发送收藏 Erick T. Young 文 Shea 译 如果说有什么事情你认为天文学家们现在应该已经搞清楚了，那就是恒星是如何形成的。 关于恒星形成的基本想法可以追溯到18世纪的伊曼纽尔康德（Immanuel Kant）和皮埃尔- 西蒙拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace） ，随后物理学家们则在20世纪上半叶搞清楚了它们 是如何发光和演化的细节。如今中学里就在教授那些支配着恒星的物理规律，而诸如暗物 质这样奇特的东西则占据了新闻的头版头条。恒星形成似乎看起来已经是一个被解决了的 问题。但事

2、实远非如此。恒星形成依然是当今天体物理学中最活跃的领域之一。图片说明：哈勃空间望远镜上新安装的大视场照相机3去年所拍摄的星系 M83核心附近猛 烈的恒星形成。标准模型无法解释其中所出现的大质量蓝色恒星以及它们将能量返还给其 母星云的方式。版权：NASA, ESA, R. OConnell (University of Virginia), B. Whitmore (STScI), M. Dopita (Australian National University), and the Wide Field Camera 3 Science Oversight Committee。 用最简单的话来

3、讲，这一过程彰显着引力战胜了压强。它始于星际空间中漂浮着的巨大气 体、尘埃云。如果这片星云或者，通常把星云中某个高密度部分称为“云核”的温 度足够低、密度足够大，向内的引力就会超过向外的气体压强，于是它就会在自身的重量 下坍缩。这片星云或者这个云核的密度和温度会变得越来越高，最终点燃核聚变。由聚变 产生的热量会使得内部压强升高，进而停止坍缩。于是这颗新诞生的恒星就会进入可持续 数百万乃至上万亿年的动态平衡状态。 这一恒星形成理论是自洽的，并且和大量的观测相符。但它还远未完善。上一段中的每一 句话都亟需进一步的解释。有四个问题特别困扰着天文学家。第一，如果高密度的云核是 孵出恒星的“蛋”，那么下

4、蛋的“母鸡”在哪里？星云自身必定来自某个地方，而它们的形成 过程还没有被很好地认识。第二，是什么使得云核开始坍缩？无论最初的机制是什么，它 决定了恒星的形成率以及恒星的最终质量。 第三，胚胎期的恒星如何彼此影响？标准理论描述的都是孤立的单颗恒星；它并没有告诉 我们，当恒星密集形成的时候会发生什么，而这却是绝大多数情况。最近的发现预示，我 们的太阳形成于一个已经瓦解的星团之中。在拥挤的托儿所里长大和当一个独子之间会有 什么不同？ 第四，大质量恒星到底是怎样形成的？标准理论只能用于质量小于20个太阳质量的恒星， 对于更大的恒星则不适用，它们巨大的光度会在初生的恒星积聚到足够的物质前将星云吹 散。此

5、外，大质量恒星会通过紫外辐射、高速外流和超音速激波来作用于它们周围的环境。 这一能量反馈会使得星云瓦解，但标准理论并没有考虑这一点。 解决这些问题的呼声正在日益高涨。从星系形成到行星起源，恒星形成几乎是天文学中一 切的基础。如果不了解它，天文学家就无法剖析遥远的星系或者是认识太阳系外的行星。 虽然最终的回答还仍然扑朔迷离，但有一点已经取得共识：一个更精湛的恒星形成理论必 须要考虑环境对其的影响。新生恒星的最终状态将不单单取决于云核中的初始条件，还和 其周围的环境以及其他恒星随后对它的影响有关。这是一场宇宙尺度上的先天和后天之争。图片说明：一颗恒星艰难的诞生。标准模型可以漂亮地解释孤立、中低质量

6、恒星的形成， 但仍然存在许多问题。恒星形成始于巨分子云一团低温的气体、尘埃云；在星云中， 一小团尤为致密的气体、尘埃云云核在自身的重量下开始坍缩；云核碎裂成多个恒星胚胎。其中每一个都会形成原恒星并且吸积气体和尘埃。原恒星收缩，进一步增大密 度。当其核心开始核聚变反应之后，正式成为一颗恒星。行星则会从其周围剩余的物质中 形成。版权：Scientific American。 生于尘埃生于尘埃 如果你在一个远离城市灯光、黑暗的地方仰望天空，你会看到贯穿夜空的银河，在这条弥 散的光带上分布有暗色的斑块。这就是星际云。其中的尘埃粒子阻挡了星光，使得它们对 可见光而言变得不透明。 结果是，想要观测恒星形成

7、的人不得不面对一个根本的问题：恒星隐藏了它们的出生过程。 将要形成恒星的物质既厚又黑；它需要达到足够高的密度才能启动核聚变，但目前还没有 到这一步。天文学家可以看到这一过程是如何开始和结束的，但中间过程从根本上几乎无 法观测，因为大部分的辐射落在远红外和亚毫米波段，在这些波段上天文学家的观测手段 和其他的比起来相形见绌。 天文学家认为，形成恒星的星云是星际介质大循环中的一部分，在这个循环中气体和尘埃 会从星云变为恒星，再从恒星变回原状。星际介质主要由氢组成；氦占据了总质量的四分 之一，其他的所有元素则仅占了百分之几。这些物质中的一些是宇宙大爆炸最初三分钟所 产生的原初物质，几乎没有受到过污染；

8、一些则来源于恒星死亡时的物质抛射；还有一些 则是恒星爆炸的残骸。恒星的辐射会把氢分子瓦解成氢原子。 最初，气体是弥漫在宇宙空间中的，每立方厘米中仅有大约一个氢原子，但是当它冷却的 时候，就会凝结成分散的星云，这一过程类似于地球大气中水汽凝聚成云。气体通过辐射 热量可以冷却，但这一过程并不直接，因为只有有限的几种方式热量可以流失。其中最有 效的方式是某种特定化学元素的远红外辐射，例如由电离的碳在波长158微米处所发出的辐 射。地球的低层大气对于这一辐射而言是不透明的，因此只有空间天文台（例如，欧洲空 间局的赫歇尔空间天文台）或者是架设在飞机上的望远镜（例如，平流层红外天文台）才 能看到它们。 随

9、着星云的冷却，它们会变得越来越稠密。当它们达到每立方厘米1,000个原子的时候，就 能阻挡来自周围星系中的紫外辐射。氢原子可以通过有尘埃颗粒参与的复杂过程来合并成 分子。射电观测已经显示，分子云包含了从氢分子（H2）到复杂的有机物等等一系列的化 合物，也许正是这些有机物为地球上的生命提供了要素。但在此之后，星云会进一步冷却。 红外观测发现，形成中的恒星深藏于尘埃之中，但观测从分子云到原恒星的最初几步仍然 非常困难。图片说明：星际云的暗起源。天文学家已经发现了弥漫的星际气体聚合成星云并且逐渐 变密的阶段。这正是原恒星形成的第一步，被称为红外暗星云。即便对于红外光而言它们 也是不透明的，在斯皮策空

10、间望远镜红的图像中呈现为黑色的条带（左上） 。它们的大小和 质量正适合形成恒星。版权：NASA/JPL-Caltech/S. Carey (SSC)。 当20世纪90年代中期中途空间实验和红外空间天文台发现了连通常能穿透尘埃区的热红外 辐射也能被阻挡的高密度星云（每立方厘米超过10,000个原子）时，对恒星形成最早期阶 段的研究开始出现了变化。这些红外暗星云的质量要比先前在可见光波段看到的暗星云大 得多（可以达到100100,000个太阳质量） 。在过去的几年中两个小组由美国威斯康星 大学麦迪逊分校的爱德华丘奇威尔（Edward B. Churchwell）所领导的红外中银道面非常巡 天（GL

11、IMPSE）和由斯皮策科学中心的肖恩凯里（Sean Carey）所领导的内银道面多波段 成像测光巡天（MIPSGAL）使用斯皮策空间望远镜对它们进行了详尽地观测。这些星 云似乎就是分子云和原恒星之间缺失的一环。 事实上，暗星云和高密度云核代表着能决定恒星质量的关键形成阶段。星云的质量有一定 的范围；小质量的要比大质量的多。这一质量分布直接反映出了恒星的质量分布，唯一的 区别是所有星云的质量都是恒星的三倍。这说明星云中只有三分之一的物质最终构成了新 生的恒星，剩下的则被丢弃到了太空中。 这一质量分布上的相似性是有因果关系的还是纯属巧合尚需要证明。但无论是什么决定了 恒星的质量，它也同时决定了恒星

12、的整个历史：大质量的恒星会快速死亡并且发生灾难性 的爆炸，更一般的则会存在很长时间并且闪耀在夜空中。 恒星的其他神秘恒星的其他神秘恒星形成得有多快？这是天文学们纠结的另一个问题。瓶颈就在于坍缩的最后阶段。这一阶 段位于原恒星形成之后，而在这之前恒星则通过吸积气体生长。一个由美国德克萨斯大学奥 斯汀分校的尼尔伊万斯（Neal J. Evans II）领导的小组使用斯皮策空间望远镜观测了近距离 的恒星形成复合区，发现吸积的速率非常不稳定。恒星会快速地获得其最终质量的一半，但 随后的生长会放缓；会花10多倍的时间来积累其余的质量。整个过程的耗时比先前估计的长 得多。 另一个问题是，分子云中的气体有着

13、极强的湍动并且会以超音速运动。是什么搅动了气体？ 胚胎期的恒星可能要为此负责。几乎所有的原恒星都会产生高速喷流。 谁扣动了扳机？谁扣动了扳机？ 天文学家也正在第二大未解决的问题是什么造成了星云或者云核的坍缩上取得进 展。在恒星形成的标准理论中，通过内部的热量、磁场或者湍流压强，云核一开始处于引 力和外部压强的完美平衡状态。当这一平衡偏向引力的时候，就会发生坍缩。但是什么打 破了平衡？天文学家已经提出了许多条不同的途径。诸如超新星爆发这样的外力可能会压 缩星云，或者当热量和磁场耗散的时候内部的压强就会减弱。 美国哈佛-史密松天体物理中心（CfA）的查尔斯拉达（Charles Lada）和欧洲南方

14、天文台 的胡奥阿尔福斯（Joao Alves）及其合作者证实了热支撑缓慢减弱所起的作用。通过在介 于射电和红外之间的毫米和亚毫米波段对分子云进行观测，他们在近距离的星云中发现了 大量相对不活跃的孤立云核。另一些人则给出了向内运动触发恒星形成的证据。一个绝佳 的例子是位于天鹰座的巴纳德335。它的密度结构正是预期中的星云热压强和外部压强几近 平衡的样子。其中央的红外源可能就是一颗早期的原恒星，这说明目前的平衡状态正在向 坍缩一侧倾斜。图片说明：启动坍缩。天文学教科书中关于星云如何失稳并且坍缩的语焉不详。新的“斯 皮策”红外图像揭示出附近的大质量恒星通常是“幕后黑手”。在银河系的 W5区域中，大质

15、 量恒星（蓝色）在分子云中清出了一个空腔。原恒星（隐藏在白粉色的气体中）则位于空 腔的边缘，它们具有几乎相同的年龄，说明它们的形成是由大质量恒星所触发的；其他的 过程不会具有如此高的同时性。版权：NASA/JPL-Caltech/L. Allen & X. Koeing (CfA)。 其他研究则发现了外部触发的证据。德国马普射电天文研究所的托马斯普赖比施 （Thomas Preibisch）及其同事发现，广为散布在“上天蝎”区域中的恒星几乎都是同时形成的。不同云核的内部压强不太可能同时减弱。一个更可能的解释是，一颗超新星所释放出 的激波扫过了这一区域并且诱发了云核的坍缩。不过，这一证据并不明确

16、，因为大质量恒 星会破坏它们的出生地，因此很难重建出它们形成时的情形。另一个限制则是很难观测到 暗弱的低质量恒星，由此无法确认它们是同时形成的。 “斯皮策”在这些问题上取得了进展。美国国家光学天文台的洛里艾伦（Lori Allen） 、CfA 的赛维尔凯尼格（Xavier P. Koenig）及其合作者在银河系的恒星形成区 W5中发现了一个 外部触发的惊人案例。他们所获得的图像显示了位于高密度气团中的年轻原恒星，而这些 气体则受到了早先形成的恒星所发出的辐射的挤压。由于压缩是一个快速的过程，因此这 些散布较广的天体必定几乎是同时形成的。简而言之，恒星形成的触发机制并非是过去所 认为的非此即彼的情况，而是“一切皆有可能”。 恒星托儿所的生活恒星托儿所的生活 先把上面的问题搁置一边，标准模型可以很好地解释观测到的孤立的恒星形成云核。但是 许多或者绝大部分的恒星是在星团中形成的，标准模型无法囊括这一嘈杂的环境对恒星形 成的影响。近些年科学家们已经发展出了两个彼此竞争的理论来填补这一空白。而数值模 拟计算