永恒不变的星

    遥望夜空，肉眼能看到的星星，除太阳系的五颗行星、流星和彗星外，都是恒星。恒星成群地聚集在一起，在宇宙中不均匀地分布着。它们组成了双星、星团、星系……“恒星”这个名字是古代天文学家给起的，因为它们认为恒星在天空中的位置是固定不变的，“恒星”的意思就是“永恒不变的星”。

    科技发展到今天，我们已经知道，恒星不是不动的，它在不停地高速运动着，如整个太阳系中的恒星都在绕银河系的中心运动，其他的恒星也处在不断地运动之中。我们在上文中已经不止一次地提过，只是因为它们离得我们太遥远，以至于我们很难觉察到它们的位置发生了变动。

    恒星都是气体球，没有固态的表面，是通过自身引力积聚而成的，一直都处在熊熊燃烧之中。恒星与行星一个很大的不同，就是恒星自身能发出强烈的光。恒星的体积和质量都比较大，发出的光也非常强烈，有很多超过了太阳，但因为距离地球太遥远，我们看到的光才显得那么微弱。

    我们看到的恒星的光有强有弱，天文学上用“光度”来表示。光度指的是从恒星表面以光的形式辐射出的功率。恒星的表面温度有高有低，一般来说，表面温度越低的恒星，光偏红；温度越高，则越偏蓝。而表面温度越高，表面积越大，光度就越大。通过恒星的颜色和光度，科学家能得出很多信息。

    简单介绍恒星的概况后，我们再看看恒星是如何形成的？

    有关恒星如何形成的想法，可以追溯至18世纪的伊曼纽尔·康德和皮埃尔·西蒙·拉普拉斯。到20世纪前期，科学家们弄清楚了恒星是如何发光及演化的细节。而至今，恒星仍是天体物理学中最活跃的领域之一。

    用简单的话说，恒星形成的过程彰显了引力战胜压强。恒星源自宇宙中飘浮着的巨大气体、尘埃云，当尘埃云或者云核的温度足够低、密度足够大时，向内的引力就会超过向外的气体压强，因此它就会在自身的重量下造成坍缩。

    坍缩最开始的阶段，气体云内部压力很小，在自引力作用下，物质加速向中心坠落。而当物质的线度收缩几个数量级后，就会出现两方面的不同。一方面，气体的密度会出现剧烈的增加；另一方面，气体的温度增高很多，因为失去的引力位能的部分转化成热能。气体的压力与它的密度和温度的乘积成正比，因为在坍缩过程中压力增长很快，所以气体内部很快就形成一个足以抗衡自引力的压力场。这个压力场最终制止了引力坍缩，从而建立起一个新的力学平衡位形，被称为“星坯”。这样，诞生的恒星可能就会进入能持续百万年甚至是上万亿年的动态平衡状态。

    内部压力梯度与自引力的抗衡产生了星坯的力学平衡，而压力梯度之所以存在，是因为内部温度存在不均匀性。那么，在热学上，这就是一个不平衡的系统，热量将从中心逐渐向外流出。这个在热学上趋向平衡的自然倾向，对力学有削弱作用。因此，星坯定需要缓慢的收缩，用它的引力位能的降低让温度升高，以恢复力学的平衡，同时也用此来提供星坯辐射所需的能量。这就是星坯演化的主要物理机制。

    恒星这一形成理论与大量的观测相符，但并不是完善的，还有四个非常困扰天文学家的问题，需要进一步的解释。

    第一个：假如将高密度的云核看成是生成恒星的“蛋”，那么“蛋”是怎么来的呢？星云自身必定从某个地方而来，但它们形成的过程还没有被很好地认识。

    第二个：是什么让云核开始坍缩？

    不管最初的原理是什么，它都决定了恒星的形成率和最终的质量。

    第三个：胚胎期的恒星之间是如何相互影响的？标准的理论描述给我们的都是孤立的单颗恒星，并没有向我们说明当恒星密集形成的时候会有什么发生。而密集形成却是恒星形成的绝大多数情况。最近的观测发现，太阳在一个已经瓦解的星团中形成。密集形成的恒星和孤立形成的恒星有什么不同呢？

    第四个：大质量的恒星究竟是如何形成的？标准理论只适用于质量小于20个太阳质量的恒星，并不适用于质量更大的恒星，因为它们巨大的光度在恒星最初积聚到足够的物质前就把星云吹散了。另外，大质量的恒星能通过紫外辐射、高速外流和超音速激波来作用于它们周围的环境，这个能量反馈会使星云瓦解，而标准理论却没有考虑到这一点。

    从行星起源到星系形成，恒星的形成理论都很重要，应该说这几乎是天文学所有一切的基础。如果不对恒星的形成深入了解，天文学家就无法深入地剖析星系以及认识太阳系外的行星。因此解决以上问题的呼声正日益高涨。

    虽然问题仍未弄清，但有一点已经取得共识：一个适用范围更广、更精确的恒星形成理论必须要考虑环境因素。因为恒星最终的状态不仅仅只受云核中的初始条件的影响，还受它周围环境以及其他恒星的影响。这是一场在宇宙尺度上的先天和后天之争。

    下面我们根据以上提出的四个问题，分别作出论述。

    高密度的云核在没有灯光的夜晚仰望天空，会看到一条分布有暗色斑块的弥散的光带，这条光带就是银河，上面的斑块就是星际云。星际云的尘埃粒子阻挡了星光，让它们在面对可见光时变得不透明。这些即将形成恒星的物质又黑又厚，到达足够高的密度时才能启动核聚变，只是目前还没有达到这一步。

    天文学家能看到启动核聚变是如何开始和结束的，但中间的过程却几乎无法观测，因为大部分辐射落在了远红外和亚毫米波段。天文学家用这些波段上的观测手段，与其他方面的技术相比相形见绌。

    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。循环过程中的气体和尘埃，能从星云变为恒星，也会从恒星变回原状。星际介质的主要组成部分是氢，然后是氦（占总质量的25％），其他的所有元素仅占百分之几。这些物质中的一些是宇宙大爆炸最初三分钟产生的原初物质；一些是恒星死亡时的物质抛射，还有一些是恒星爆炸的残骸。

    最初，气体弥漫在宇宙空间中，每立方厘米大约仅有一个氢原子，但当它冷却下来时，就会凝结成为分散的星云，这个过程就像是地球大气中水汽凝聚成云。星云通过辐射热量可以冷却，但需要通过几个间接的方式才能实现热量的流失。其中最有效的方式是某种特定化学元素的远红外辐射，如由电离的碳在波长158微米处所发出的辐射。

    在地球上，只有空间天文台或是架设在飞机上的望远镜才能看到远红外辐射，因为对这一辐射来说，低层大气是不透明的。

    星云逐渐冷却，氢原子能通过有尘埃颗粒参与的复杂过程合并成分子，所以星云变得越来越稠密。通过射电观测，科学家发现分子云包含了氢分子、复杂的有机物等一系列化合物（可能是它们为地球上生命的出现提供了条件）。在这之后，星云还会进一步冷却。红外观测能发现正在形成的恒星深藏在尘埃之中，但要观测从分子云到原恒星的最初几步仍是非常困难的。

    而暗星云和高密度云核的阶段是恒星形成质量的关键性阶段。小质量的星云要比大质量的多，且星云的质量存在一定的范围，星云的质量还都是恒星的三倍，这就直接反映了恒星的质量分布，也说明了星云中只有三分之一的物质最终构成了新生的恒星，剩下的都被丢弃在了太空之中。

    恒星与星云在质量分布上的吻合，是有因果联系的还是纯属巧合都尚待进一步的证据证明。不管是什么决定了恒星的质量，它也决定了恒星灭亡规律：大质量的恒星很快就会发生爆炸死亡，而小质量的则会存在很长时间。

    星云和云核的坍缩在星云或云核的坍缩问题上，天文学家取得了一定程度的进展。

    在恒星形成的标准理论中，云核最初通过内部的热量、磁场或者湍流压强，处在引力和外部压强的完美平衡状态，当这个平衡偏向于引力的时候，就发生了坍缩。那么，是什么将那个完美的平衡打破了呢？

    就此问题，天文学家已经提出许多理论，如出现超新星爆发这样的外力时，可能会压缩星云，引起引力的变化，或当热量和磁场耗散的时候，内部的压强也会减弱。

    热支撑缓慢减弱所起的作用已经被美国哈佛史米松天体物理中心的查尔斯·拉达和欧洲南方天文台的胡奥·阿尔福斯及其合作者证实。他们通过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，在近距离的星云中发现有大量相对不活跃的孤立云核。

    另一些人则提供了向内运动触发恒星形成的证据，一个最好的例子就是位于天鹰座的巴纳德335，它的密度结构就是预期中的星云热压强和外部压强几乎平衡的状态。而它中央的红外源可能就是最早的原恒星，这说明它目前正向坍缩一侧倾斜。

    德国马普射电天文研究所的托马斯·普赖比施及其同事的一些研究还发现了外部触发的证据。他们在“上天蝎”区域中发现，其中散布的恒星几乎都是同时形成的。不同云核的内部压强同时减弱的可能不大。一个比较可能的原因是，一颗超新星释放出的激波扫过了这一区域，导致这个区域散布的恒星出现了云核坍缩。

    但这一可能并不明确，因为大质量的恒星会破坏它们的出生地，很难重建出它们形成时的情形。还有一个限制是，暗弱的低质量恒星很难被观测出来，所以，无法确定它们是同时形成的。

    外部触发方面还有一个惊人的证据，美国国家光学天文台的洛里·艾伦、美国哈佛史米松天体物理中心的塞维尔·凯尼格及其合作者，通过斯皮策空间望远镜获得的图像显示，位于高密度气团中的年轻原恒星，受到了较早形成的恒星所发出的辐射挤压。因为压缩是一个快速的过程，所以散布较广的天体的形成时间几乎是相同的。简单来说，恒星形成的触发机制不一定是我们过去认为的不是这个就是那个，而是一切都有可能发生的。

    胚胎期恒星如何彼此影响我们暂且先不管上面提到的两个问题，标准模型能较好地解释观测到的孤立的恒星形成云核。而绝大多数的恒星在星团中形成的，标准模型不能概括这个环境对恒星的影响。在很长时间中，这方面的理论是一个空白。

    而近年来，科学家们已经发展出了两个彼此竞争的理论。数值模拟计算能力的大幅提升可以完善这两个理论。天文观测能帮助这两个理论，尤其是来自斯皮策太空望远镜的观测。

    两个理论中的其中一个理论认为，相邻云核之间的作用非常重要。在极端情况下，很多较小的原恒星会形成，快速地穿过星云，竞相吸收和聚集剩下的气体。那些星云中的成功者可能会比其他的大得多，而失败者则可能会被抛射出星团，成为游荡在星系中的最小恒星。这个理论被称为“竞争吸积理论”，得到英国圣安德鲁斯大学的伊恩·邦内尔和英国埃克斯特大学马修·贝特的支持。

    另一个理论认为，恒星形成所受的外界影响并不是来自云核之间的相互作用，为气体中的湍流。湍流能促使坍缩，而且恒星大小的分布特征与湍流运动的谱特征相似。

    以美国加州大学伯克利分校的克里斯托弗·麦基、加州大学圣克鲁兹分校的马克·克伦霍茨为首的学者发展了这个“湍流一云核”理论。

    天文的观测好像比较倾向于“湍流一云核”理论，“竞争吸积理论”对于超高密度的恒星聚集区：也可能是重要的。麒麟座中著名的I圣诞树星团可能会帮助这两个理论的发展。在麒麟座这个区域中能观测到很多明亮的恒星和大量的尘埃、气体。斯皮策空间望远镜还观测到隐藏于其中的高密度星团，这个星团中的恒星正处在不同的发育阶段。它会为到底是湍流还是竞争吸积在此发挥作用提供证据。

    大质量恒星的形成大质量恒星数量少，寿命也很短，但它们在星系演化中所起的作用却非常大。它们会通过辐射和物质外流向星际介质注入能量。在它们即将死亡的时候，还会以超新星爆发的形式将重元素抛回星际介质。银河系里充满着恒星产生的空腔（泡）和超新星遗迹。但遗憾的是，标准模型不能很好地解释它们是如何形成的。

    一颗原恒星的质量达到20个太阳的质量时，辐射压会超过引力，以防它继续增大。除辐射压外，大质量恒星所产生的星风会驱散形成它的星云，更是进一步限制了它的生长，同时还能影响它附近恒星的形成。

    克伦霍茨及其合作者的三维模拟显示，恒星会以各种不同的方式生长。不但物质的内流会变得相当不均匀，在恒星向外辐射的时候，高密度区域和空腔还会出现交替。

    所以，辐射压可能不是恒星继续生长的障碍，多而稠的下落物质会形成伴星，这也是大质量恒星几乎不是单颗出现的原因。目前，正在使用斯皮策太空望远镜对大质量恒星形成区进行巡天观测，但大质量恒星稀少的特点和短寿性让天文学家很难观测到它们的形成过程。

    但随着科技的发展，天文上的新设备在不久之后就能帮助我们回答恒星形成的问题。一架飞行于地球大气中的波音747飞机，也是一个天文台，将会在远红外和亚毫米波段上进行观测。而这些波段最容易观测到恒星形成。这个天文台拥有的空间和谱分辨率能观测出星际云的速度特征。在更长的波段上，正在智利建造的阿塔卡玛毫米波大天线阵，在不久之后，就能向我们精确地展示出单颗原恒星许多方面的细节。

    通过这些先进的观测技术，天文学家希望能解开星际介质原子云一分子云一星前云核一恒星一弥漫气体整个循环过程的谜团，也希望能用足够的角分辨率来观测和追踪从星云落下的物质，还希望能比较不同环境对恒星形成的影响。

    如果能将以上的问题回答出来，对天体物理学其他领域的帮助也是很大的。但目前，我们知道，我们所能看到的星系、星际云、恒星、行星、人都源于恒星形成，我们的恒星形成理论并不全是错误，恒星自身的缺陷让我们无法解释宇宙中的许多现象，但也正是这些缺陷让我们认识到恒星形成的过程定会比任何事物都精彩。

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