21.1: 恒星形成
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学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 确定分子云部分崩溃产生恒星的有时是暴力的过程
- 识别分子云图像中看到的一些结构，例如猎户座中的结构
- 解释分子云的环境如何促成恒星的形成
- 描述不断推进的恒星形成浪潮是如何导致分子云进化的
在我们开始探索恒星是如何形成的，让我们回顾一下前面章节中讨论的有关恒星的一些基础知识：
- 像我们的太阳这样的稳定（主序列）恒星通过核聚变产生能量来保持平衡。 通过聚变产生能量的能力定义了一颗恒星。
- 在太阳中每秒，大约有6亿吨氢气聚变为氦气，在此过程中大约有400万吨氢气转化为能量。 这种氢气使用率意味着太阳（和所有其他恒星）最终将耗尽中央燃料。
- 恒星有许多不同的质量，从 1/12 的太阳质量\(M_{\text{Sun}}\)到大约 100—200 不等\(M_{\text{Sun}}\)。 低质量的恒星比高质量的恒星多得多。
- 质量最大的主序列恒星（光谱类型 O）也是发光度最高的，表面温度最高。 主序列（光谱类型 M 或 L）上质量最低的恒星发光度最低，最酷。
- 像银河系这样的恒星星系含有大量的气体和尘埃，足以制造出像太阳一样的数十亿颗恒星。
如果我们想找到仍在形成过程中的恒星，就必须看看有大量组装恒星的原材料的地方。 由于恒星是由气体组成的，因此我们将注意力（和望远镜）集中在遍布银河系的密集而寒冷的气体和尘埃云上（参见章节缩略图和图\(\PageIndex{1}\)）。
分子云：恒星苗圃
正如我们在《星际之间：太空中的气体和尘埃》中所看到的那样，最大的星际物质储存库以及银河系中一些最大的物体是巨型分子云。 这些云的内部寒冷，典型温度仅为10—20 K；它们的大部分气体原子都与分子结合。 事实证明，这些云是我们银河系中大多数恒星的发源地。
分子云的质量从太阳质量的一千倍到大约300万个太阳质量不等。 分子云具有复杂的丝状结构，与地球大气中的卷云相似，但密度要低得多。 分子云丝可以长达 1000 光年。 云层中有寒冷、密集的区域，其质量通常是太阳质量的50至500倍；我们将这些区域命名为高度技术性的团块。 在这些团块中，甚至还有更密集、更小的区域，称为核心。 核心是恒星的胚胎。 这些核心中的条件——低温和高密度——正是制造恒星所必需的。 请记住，任何恒星生命故事的本质是两种力量之间的持续竞争：重力和压力。 向内拉动的重力试图使一颗恒星崩溃。 气体原子向外推的运动产生的内部压力试图迫使恒星膨胀。 当恒星首次形成时，低温（以及由此产生的低压）和高密度（因此具有更大的引力吸引力）都会使重力占据优势。 为了形成一颗恒星，即能够在深处引发核反应的密集、热的物质球，我们需要一个典型的星际原子和分子核心，以缩小半径并将密度增加近1020倍。 正是重力导致了这种剧烈的崩溃。
猎户座分子云
让我们通过考虑附近正在形成恒星的地点来讨论恒星形成区域会发生什么。 研究得最多的恒星苗圃之一是猎户座星座，距离大约 1500 光年（图\(\PageIndex{2}\)）。 猎人的图案很容易通过标记他腰部的三颗星星的显眼的 “腰带” 来识别。 猎户座分子云比恒星图案大得多，确实是一个令人印象深刻的结构。 在长维度上，它延伸了大约 100 光年的距离。 分子气体的总量约为太阳质量的20万倍。 大部分云不会在可见光下发光，而是通过尘土飞扬的气体在红外和无线电波长下释放的辐射而背叛了它的存在。
猎户座腰带中的恒星通常有大约500万年的历史，而悬挂在猎户座腰带上的 “剑” 中间的恒星只有30万至100万年的历史。 距离剑的一半左右仍在形成恒星的区域被称为猎户座星云。 在该区域发现了大约 2200 颗年轻恒星，其直径仅略大于十二光年。 猎户座星云还包含一群名为 Trapezium 的紧密恒星（图\(\PageIndex{4}\)）。 用小型望远镜可以很容易地看到最亮的梯形星星。
相比之下，我们自己的太阳邻域，恒星之间的典型间距约为3光年。 在可见光下只能看到猎户座星团中的少量恒星，但是红外图像（能更好地穿透尘埃）可以探测到该组中的2000多颗恒星（图\(\PageIndex{4}\)）。
对猎户座和其他恒星形成区域的研究表明，恒星的形成不是一个非常有效的过程。 在猎户座星云区域，云中约有1％的物质已经变成了恒星。 这就是为什么我们在梯形恒星附近仍然可以看到大量的气体和尘埃的原因。 剩余的物质最终会被加热，要么是通过形成的热恒星的辐射和风，要么是质量最大的恒星的爆炸。 （我们将在后面的章节中看到，质量最大的恒星会很快经历生命并以爆炸告终。）
穿越猎户座星云，观看该地区的精彩解说视频之旅。
无论是轻柔的还是爆炸性的，新恒星附近的物质都会被吹入星际空间。 现在可以很容易地在可见光下观察到较旧的恒星群或星团，因为它们不再被尘埃和气体所笼罩（图\(\PageIndex{5}\)）。
尽管我们不知道最初是什么原因导致了猎户座中恒星的形成，但有充分的证据表明，第一代恒星触发了更多恒星的形成，这反过来又导致了更多的恒星的形成（图\(\PageIndex{6}\)）。
触发恒星形成的基本思想是：当一颗巨大的恒星形成时，它会发出大量的紫外线辐射，并以恒星风的形式喷出高速气体。 这种能量的注入会加热恒星周围的气体并使其膨胀。 当巨星耗尽燃料供应时，它们会爆炸，爆炸的能量也会加热气体。 热气堆积到周围的冷分子云中，压缩其中的物质并增加其密度。 如果密度的增加足够大，重力将克服压力，压缩气体中将开始形成恒星。 这种连锁反应 —— 一个区域中最亮、最热的恒星成为 “隔壁” 恒星形成的原因 —— 似乎不仅发生在猎户座中，而且发生在许多其他分子云中。
有许多分子云只形成（或主要）低质量恒星。 由于低质量恒星没有强风，也不会因爆炸而死亡，因此这些云中不可能发生触发的恒星形成。 还有一些恒星在较小的岩心中相对孤立地形成。 因此，并非所有恒星的形成最初都是由巨型恒星的死亡触发的。 但是，可能还有其他可能的触发因素，例如螺旋密度波和其他我们尚不了解的过程。
一颗星的诞生
尽管猎户座等区域为我们提供了有关恒星形成如何开始的线索，但随后的阶段仍然笼罩在神秘之中（还有大量尘埃）。 分子云核心的密度与可以探测到的最年轻恒星的密度之间存在巨大差异。 直接观察到这种崩溃到更高的密度几乎是不可能的，原因有两个。 首先，用可见光无法观察到恒星诞生的分子云内部的尘埃笼罩。 其次，从天文学上讲，最初崩溃的时间表——数千年——非常短。 由于每颗恒星在这个阶段度过生命的很小一部分，因此在任何给定时间经历崩溃过程的恒星相对较少。 尽管如此，通过理论计算和有限的观测结果，天文学家已经拼凑出了一幅恒星演化的最早阶段可能是什么样子的画面。
生成恒星过程的第一步是在一团气体和尘埃中形成密集的核心（图\(\PageIndex{7}\)（a））。 人们普遍认为，恒星的所有物质都来自核心，即围绕形成恒星的较大结构。 最终，流入气体的引力变得足够强大，足以压倒形成密集岩心的冷物质所施加的压力。 然后，材料会迅速崩溃，因此核心的密度大大增加。 在密集的核心收缩成为真正的恒星期间，但是在质子聚变产生氦气之前，我们称该物体为原恒星。
团块内部的自然湍流往往会使它的任何部分产生一些初始的旋转运动（即使它非常慢）。 因此，预计每个崩溃的核心都会旋转。 根据角动量守恒定律（在 “轨道和重力” 一章中讨论），旋转物体随着体积的减小，旋转的速度会更快。 换句话说，如果物体能够将其材质绕过一个较小的圆圈，它可以更快地移动该材质，比如花样滑冰运动员将双臂紧贴身体时旋转得更快。 这正是当核心收缩形成原恒星时发生的情况：随着它的缩小，它的旋转速度会增加。
但是旋转球体上的所有方向并不是生而成的。 随着原恒星的旋转，材料直接落到极点（旋转速度最慢）比落到赤道（材料移动速度最快）要容易得多。 因此，落向原星赤道的气体和尘埃会被旋转 “阻碍”，并在赤道周围形成旋转的延伸盘（图中的b部分\(\PageIndex{7}\)）。 在游乐园骑行中，你可能已经观察到同样的 “赤道效应”，你背对着旋转得越来越快的圆柱体站立。 当你旋转得非常快时，你会被猛烈地推到墙上，以至于你不可能掉向圆柱体的中心。 但是，气体很容易从远离恒星赤道的方向落在原恒星上。
现阶段的原星和圆盘嵌入在尘埃和气体的包络中，物质仍在从中落到原恒星上。 这个尘土飞扬的信封阻挡了可见光，但红外辐射可以通过。 因此，在其演变的这个阶段，原恒星本身正在发射红外辐射，因此只能在光谱的红外区域观测到。 一旦几乎所有可用的材料都被积聚起来，中央原恒星几乎达到其最终质量，它就被赋予了一个特殊的名字：它被称为 T Tauri 恒星，以此类恒星中研究得最好、最聪明的成员之一命名，该恒星是在金牛座的星座。 （天文学家倾向于以他们发现或理解的第一个例子来命名恒星的类型。 这不是一个优雅的系统，但行得通。） 只有质量小于或相似于太阳质量的恒星才会成为 T Tauri 恒星。 巨星不会进入这个阶段，尽管它们看起来确实遵循了图中所示的形成场景\(\PageIndex{7}\)。
风和喷气机
最近的观察表明，T Tauri 恒星实际上可能是处于原恒星和太阳等氢融合恒星之间的中间阶段的恒星。 高分辨率的红外图像显示了来自某些 T Tauri 恒星的物质射流和恒星风，这证明了它们与环境的相互作用。 恒星风主要由质子（氢核）和以每秒几百千米（每小时数十万英里）的速度从恒星流出的电子组成。 当风第一次开始时，恒星赤道周围的物质盘会阻挡风向其方向。 风粒子能最有效地逃脱的地方是朝着恒星两极的方向逃脱。
天文学家实际上已经看到了这些粒子束从新形成的恒星的极地区域朝相反方向射出的证据。 在许多情况下，这些光束指向原恒星的位置，该原恒星仍然完全被尘埃笼罩，以至于我们还看不见（图\(\PageIndex{8}\)）。
有时，从原恒星流出的高速粒子射流会与附近一块密度稍高的气体碰撞，激发其原子，并使它们发光。 这些发光区域以最初发现它们的两位天文学家的名字被称为 H erbig-Haro（HH）天体，这使我们能够将喷气机的进展追踪到距离产生它的恒星一光年或更长时间的距离。 \(\PageIndex{9}\)该图显示了两张 HH 物体的壮观图像。
来自正在形成的恒星的风最终将冲走残留在模糊的尘埃和气体包络中的物质，留下裸露的圆盘和原恒星，然后可以在可见光下看到它们。 我们应该注意，在这一点上，原恒星本身仍在缓慢收缩，尚未达到 H—R 图（在《星星：天体普查》一章中引入的概念）上的主序列阶段。 在红外波长下观察光盘或在明亮的背景下看到光盘轮廓时，可以直接检测到光盘（图\(\PageIndex{10}\)）。
这种对被旋转气体和尘埃盘包围的原恒星的描述听起来很像太阳和行星形成时太阳系中发生的情况。 事实上，二十世纪最后十年恒星形成研究中最重要的发现之一是，圆盘是恒星创造过程不可避免的副产品。 天文学家打算回答的下一个问题是：原恒星周围的圆盘也会形成行星吗？ 如果是这样，多久一次？ 我们将在本章后面回过头来讨论这些问题。
为了简单起见，我们描述了单星的形成。 但是，许多恒星是二进制或三元系统的成员，在这些系统中，几颗恒星一起诞生。 在这种情况下，恒星的形成方式几乎相同。 广泛分开的二进制文件可能都有自己的磁盘；关闭的二进制文件可以共享一个磁盘。
摘要
大多数恒星是在巨型分子云中形成的，其质量高达3×106个太阳质量。 研究最多的分子云是猎户座，目前正在那里形成恒星。 分子云通常包含密度更高的区域，称为团块，这些区域反过来又包含几个密度更高的气体和尘埃核心，每个核心都可能变成恒星。 如果恒星的密度足够高，重力会压倒内部压力并导致气体和尘埃崩溃，则恒星可以在核心内部形成。 当原恒星产生强劲的恒星风时，物质的积累就会停止，从而观测到来自恒星的物质射流。 这些物质射流可以与恒星周围的物质碰撞，产生发射光的区域，这些区域被称为 Herbig-Haro 天体。
词汇表
- 巨型分子云
- 大而冷的星际云，直径为数十光年，典型质量为105个太阳质量；这些云存在于星系的螺旋臂中，是恒星形成的地方
- Herbig-Haro (HH) 物体
- 恒星形成区域中的发光气体结，由来自原恒星的物质射流发光
- 原星
- 在核聚变开始之前，一颗非常年轻的恒星仍在形成过程中
- 恒星风
- 气体从恒星流出，有时以高达每秒数百公里的速度流出