揭秘宇宙最早恒星艰难诞生过程

fuckman · 发表于 2014-7-24 18:51:49

　　用最简单的话来讲，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一样？

　　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。
　　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，其他的一切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；一些则来源于恒星S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。

　　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，唯一的区别是一切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·X·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的整个历史：大质量的恒星会快速S亡并且发生灾难·X·的爆炸，更一般的则会存在很长时间并且闪耀在夜空中。