恒星的艰难诞生.doc

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；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（GLIMPSE）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？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，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。而数值模拟计算能力的大幅提升则在完善这些理论上起到了关键作用。观测，尤其是来自“斯皮策”的观测，正在帮助天文学家区分它们。在一个理论中，相邻云核之间的作用会变得重要。在极端情况下，许多非常小的原恒星会形成，快速地穿过星云，竞相吸积剩余的气体。其中一些会长得比其他的大得多，而失败者则可能会被抛射出星团，这就是游荡在银河系中的一类最小恒星的由来。这一被称为“竞争吸积”的理论受到了英国圣安德鲁斯大学的伊恩邦内尔（Ian Bonnell）和英国埃克斯特大学马修贝特（Matthew Bate）以及其他人的支持。在另一个模型中，主要的外界影响并非来自云核之间的相互作用，而是气体中的湍流。湍流会帮助触发坍缩，而且恒星大小的分布反映出的正是湍流运动的谱特征而非后期恒星对物质的争夺。美国加州大学伯克利分校的克里斯托弗麦基（Christopher McKee）、加州大学圣克鲁兹分校的马克克伦霍茨（Mark Krumholz）以及其他人一起发展了这一湍流云核模型。图片说明：拥挤托儿所中的生活。与恒星形成标准模型的假设相反，新生的恒星会影响其他恒星的形成。“斯皮策”在圣诞树星团（NGC 2264）一个包含有不同年龄恒星的稠密星团中发现了一个例子。在高分辨率下，其中一些最年轻的恒星其实是紧密的原恒星群在半径0.1光年的范围内聚集了10颗原恒星，如此近的距离使得它们可以相互影响。版权：NASA/JPL-Caltech/P. S. Teixeira (CfA)。观测似乎倾向于湍流云核模型，但是竞争吸积模型对于超高密度的恒星聚集区也许是重要的。一个非常有趣的例子是麒麟座中著名的圣诞树星团（NGC 2264）。在可见光下，在这一区域中可以看到许多明亮的恒星以及大量的尘埃和气体恒星形成的标志。“斯皮策”的观测则发现了一个隐藏在其中的高密度星团，这个星团中的恒星正处于不同的发育阶段。它将为鉴别到底是湍流还是竞争吸积在这里发挥了作用提供佐证。绝大部分辐射集中在长波波段的最年轻恒星都聚集在一个紧密的星群中。欧洲南方天文台的葆拉泰克赛拉（Paula Teixeira）和她的合作者发现，它们的间距大约为0.3光年。这正是高密度云核从一大块星云引力坍缩的结果。而且，即使观测支持了湍流模型，这一图像也具有足够的分辨率来说明一些原先所认为的原恒星并不是单个的天体而是致密的星群。其中每一个在半径0.1光年的范围内都含有10颗恒星。它们如此高的密集度使得竞争吸积必定会发生，至少是在小尺度上。因此，有了这些触发机制，恒星形成的环境作用就不是非此即彼的选择。根据具体的状况，湍流和竞争吸积都有可能发生。大自然似乎会利用所有可能的手段来造星。大质量恒星大质量恒星很稀少、寿命也短，但它们在星系演化中起到了非常重要的作用。通过辐射和物质外流，它们会向星际介质注入能量。在它们生命结束的时候，它们会以超新星爆发的形式把重元素抛撒回星际介质。银河系中充满了这些恒星产生的空腔（泡）和超新星遗迹。然而标准模型不能很好地解释它们的形成。一旦一颗原恒星的质量达到20个太阳质量的阈值，它们的辐射压会超过引力，防止它进一步增大。除了辐射压以外，大质量恒星所产生的星风会驱散形成它的星云，进一步限制它的生长，同时也会影响附近恒星的形成。图片说明：冲破质量的上限。最近对恒星形成的计算机模拟显示，由于不均匀的生长，大质量恒星可以达到看似不可能的大小。来自原恒星的辐射会把气体吹散，在气体中产生巨大的空腔（泡），但是这并不能完全阻断气体的内流，因为物质会在这些空腔的间隙中形成丝状结构。上图为沿轴密度图；下图为垂直轴密度。从左往右：17,500年：原恒星形成，气体几乎均匀地下落。由下落气体释放出的引力势能造成了它发光；25,000年：当原恒星长到大约11个太阳质量的时候，其周围的盘就会变得引力不稳定，形成了螺旋结构；34,000年：当原恒星的质量超过了17个太阳质量，辐射会将气体吹散，形成空腔。但是周围的气体仍能流入。较小的原恒星形成；41,700年：较小的原恒星比中央恒星更快速地生长，并且很快在体积上超过了后者。吸积不仅在空间上变得不均匀，在时间上也变得不稳定；55,900年：数值模拟在中央恒星达到42个太阳质量、伴星达到29个太阳质量时终止。仍有28个太阳质量的气体剩余，它们最终仍有可能会落入恒星。版权：Science/Mark Krumholz et al.。克伦霍茨及其合作者最近的理论工作为解决这个问题提供了一条途径。他们的三维模拟显示恒星会以各种错综复杂的方式生长。物质的内流会变得相当的不均匀；当星光向外辐射的时候，高密度区域和空腔就会交替出现。因此，辐射压也许并不是恒星继续生长的障碍。稠密的下落物质也会形成伴星，这也正是为什么大质量恒星很少是单颗的。目前正在使用“斯皮策”对大质量