互动科普

如果说，有什么事情被人们认为已经被天文学家搞得一清二楚了，那多半会是恒星的形成过程。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），20世纪上半叶的物理学家则弄清楚了恒星如何发光和演化的细节。如今，支配恒星的物理学规律已经成为中学物理的必考内容，只有暗物质这样稀奇古怪的东西才能占据报纸的头版头条。恒星如何形成的问题似乎已经被搞定了。但事实远非如此。恒星的诞生仍是当今天体物理学中最活跃的领域之一。

用最简单的话来讲，恒星形成的过程就是引力战胜压强的过程。这一过程始于飘浮在星际空间之中的巨大气体尘埃云。如果这团星云——或者更确切地说，通常是这样一团星云内部被称为“云核”的致密区域——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力，它就会在自身重量的作用下开始坍缩。这团星云或者这个云核会变得越来越致密、越来越炽热，最终点燃核聚变反应。聚变产生的热量升高了内部压强，进而停止坍缩。于是这颗新诞生的恒星就会进入一种动态平衡状态，可以持续数百万乃至上万亿年。

这个理论是自洽的，并且和大量观测相符，但还远未完善。上一段中的每一句话都亟需进一步解释。确切地说，有四个问题困扰着天文学家。

第一，如果高密度的云核是孵出恒星的“蛋”，那下蛋的“母鸡”在哪里？星云自身肯定不是凭空出现的，它们的形成过程还没有被很好地理解。

第二，什么原因使得云核开始坍缩？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，并没有告诉我们恒星密集形成时会发生什么——而这才是绝大多数恒星形成时的状态。最近的发现预示，就连我们的太阳都形成于一个已经瓦解的星团之中（参见《环球科学》2009年第12期 《寻找太阳失散的兄弟姐妹》 一文）。在拥挤的托儿所里长大和当一个独子，会有什么不同？

第四，质量极大的恒星到底是怎样形成的？标准理论只适用于质量小于20倍太阳质量的恒星，对更大的恒星则无能为力——因为它们巨大的光度（luminosity，指物体单位时间内辐射出的总能量）应该会在初生的恒星积聚到足够的物质之前就将星云吹散。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“轰炸”它们周围的环境。这一能量反馈会瓦解星云，但标准理论没有考虑这一点。

解决这些问题的呼声正日益高涨。从星系形成到行星起源，恒星形成几乎是天文学中所有过程的基础。如果不了解它，天文学家就无法剖析遥远的星系，无法理解在太阳系外发现的行星。虽然最终的答案仍然扑朔迷离，但有一点已经取得共识：一个更精良的恒星形成理论必须考虑环境对新生恒星的影响。新生恒星的最终状态不单单取决于云核中的初始条件，还和周围环境以及其他恒星后来对它的影响有关。这是一场宇宙尺度上的先天和后天之争。

生于尘埃

远离城市灯光，在黑暗中仰望天空，你会看到银河横贯夜空，还有一些暗色斑块点缀在这条弥散的光带之上。这些斑块就是星际云。云中的尘埃颗粒阻挡了星光，因此对于可见光而言，它们是不透明的。

这样一来，我们这些想要观测恒星形成的人就不得不面对一个根本难题：恒星遮盖了它们的出生过程。将要形成恒星的物质又厚又黑；它需要足够致密才能启动核聚变，但暂时还没到这一步。天文学家可以看到这一过程如何开始、怎样结束，但中间过程根本难以观测，因为它们发射的大部分辐射都落在远红外和亚毫米波段，天文学家在这些波段上的观测手段与其他波段相比还相当“原始”。

天文学家认为，形成恒星的星云是星际介质大循环中的一个组成部分。在这个循环中，气体和尘埃会从星云变为恒星，再从恒星变回星云。星际介质主要由氢组成，排名第二的氦占据了总质量的1/4，其他所有元素仅占到百分之几。这些物质中有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；另一些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，每立方厘米仅有大约一个氢原子，但随着气体冷却，它们会凝结成一团一团的星云，这一过程类似于地球大气中水蒸气凝聚成云。气体通过辐射热量冷却，但这一过程并不容易，因为只有有限的几种方式可以让热量流失。事实证明，最有效的方式是某些特定化学元素的远红外辐射，比如电离碳在波长158微米处发出的辐射。对于这一辐射而言，地球的低层大气是不透明的，因此只有空间天文台［比如欧洲空间局去年发射的赫歇尔空间天文台（Herschel Space Observatory，HSO）］或架设在飞机上的望远镜［比如平流层红外天文台（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy，SOFIA）］才能看到它们。

随着星云的冷却，它们会变得越来越稠密。当密度达到每立方厘米1,000个原子时，星云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合并成分子。射电观测已经显示，分子云包含一系列化合物，从简单的氢分子（H2）到复杂的有机物应有尽有，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。红外观测已经揭露了深藏于尘埃之中正在形成的恒星，但观测导致分子云转变成原恒星（protostar）的最初几步仍然困难重重。

这样的局面直到20世纪90年代中期才出现转机，当时太空中途红外实验（Midcourse Space Experiment）和红外空间天文台（Infrared Space Observatory）发现了一些非常致密的星云（每立方厘米超过10,000个原子），就连通常能够穿透尘埃区的热红外辐射也会被它们阻挡。这些“红外暗星云”（infrared dark cloud）的质量要比先前在可见光波段发现的暗星云大得多（可以达到100～100,000倍太阳质量）。过去几年来，美国威斯康星大学麦迪逊分校的爱德华·B·丘奇威尔（Edward B. Churchwell）领导的红外中银道面非常巡天（Galactic Legacy Infrared Midplane Survey Extraordinaire，GLIMPSE）和斯皮策科学中心的肖恩·凯里（Sean Carey）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（Spitzer Space Telescope）对它们进行了详尽的观测。这些星云似乎就是分子云和原恒星之间的缺失环节。

事实上，暗星云和高密度云核可能代表着恒星形成的关键阶段，该阶段决定了恒星的质量。这些星云的质量并不相同；小质量星云比大质量星云常见得多。这一质量分布与恒星的质量分布十分相似，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1/3的物质最终形成了新生恒星，剩下的则被丢弃到了太空中。

这种质量分布上的相似性有因果关系还是纯属巧合，尚需要证明。但无论是什么决定了一颗恒星的质量，它也同时决定了这颗恒星一生的命运：大质量的恒星会快速死亡并发生灾难性爆炸，更一般的恒星则会存在很长时间，死亡的方式也“平静”得多。

谁扣动了扳机？

对于第二个尚未得到解决的问题，是什么原因导致星云或云核开始坍缩，天文学家已经取得了一些进展。在恒星形成的标准模型中，云核一开始处于引力和外部压强与内部热量、磁场或者湍流压强的完美平衡状态。当这一平衡偏向引力的时候，坍缩就会发生。但是什么打破了平衡呢？天文学家已经提出了多条不同的途径。超新星爆发这样的外力可能会压缩星云，热量和磁场耗散时内部压强也可能会减弱。

美国哈佛－史密松天体物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics，CfA）的查尔斯·拉达（Charles Lada）和欧洲南方天文台（European Southern Observatory，ESO）的若昂·阿尔维斯（Joao Alves）及其合作者，支持热支撑缓慢减弱这种说法。他们利用介于射电和红外之间的毫米及亚毫米波段对分子云进行观测，已经在邻近的星云中发现了大量相对不活跃的孤立云核。有些云核显示出了缓慢收缩的迹象，或许正处在形成恒星的过程当中。天鹰座中的巴纳德335（Barnard 335）就是一个绝佳的例子。它的密度结构与假设星云内部热压强与外部压强几乎平衡而推算出来的结构完全一致。星云中央的红外源可能就是一颗早期的原恒星，暗示这种平衡状态最近曾向坍缩一方倾斜过。

其他一些研究则发现了外部触发的证据。德国波恩马普射电天文研究所的托马斯·普赖比施（Thomas Preibisch）及其同事已经证明，天蝎－半人马星协中“上天蝎区”（Upper Scorpius）里分布极为分散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。更合理的解释应该是，一颗超新星产生的激波扫过了这一区域，并诱发了云核的坍缩。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，因此很难重建它们形成时的环境。另一个限制则是，很难观测到暗弱的低质量恒星，因此无法确认它们也是同时形成的。

斯皮策空间望远镜在这些问题上取得了进展。美国国家光学天文台（National Optical Astronomy Observatory）的洛里·艾伦（Lori Allen）、CfA的赛维尔·P·凯尼格（Xavier P. Koenig）及其合作者，已经在银河系的恒星形成区W5中发现了外部触发的一个惊人案例（见右图）。他们拍摄的图像显示，年轻原恒星深藏在受到前一代恒星发出的辐射挤压的致密气团内部。由于压缩是一个快速的过程，因此这些散布极广的天体必然是几乎同时形成的。简而言之，恒星形成的触发机制并非像过去认为的那样非此即彼，而是“一切皆有可能”。

拥挤的恒星托儿所

抛开上面提到的种种问题，标准模型可以很好地解释观测到的、孤立的、正在形成恒星的云核。但许多甚至绝大部分的恒星都是在星团中形成的，标准模型无法解释这一嘈杂的环境对恒星形成的影响。近年来，科学家已经发展出了两个彼此竞争的理论来填补这一空白。数值模拟计算能力的大幅提升在完善这些理论方面起到了关键作用。观测，尤其是斯皮策空间望远镜所做的观测，正帮助天文学家判定这两个理论谁对谁错。

其中一个理论认为，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，并在星云中快速穿梭，竞相吸积剩余的气体。其中一些会长得比其他原恒星大得多，失败者则有可能被彻底抛出星团，形成了一类在银河系中随处游荡的小恒星。这种被称为“竞争－吸积”的理论受到了英国圣安德鲁斯大学的伊恩·博内尔（Ian Bonnell）和英国埃克塞特大学的马修·贝特（Matthew Bate）等人的支持。

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。湍流有助于触发坍缩，恒星的大小分布所反映的是湍流运动的谱特征，而非后期恒星对物质的争夺。这种“湍流－云核”模型由美国加利福尼亚大学伯克利分校的克里斯托弗·麦基（Christopher McKee）和加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的马克·克鲁姆霍尔茨（Mark Krumholz）等人共同提出。

观测似乎倾向于湍流－云核模型（参见《环球科学》2006年第2期《流产的恒星：追寻褐矮星身世之谜》一文），但竞争－吸积模型对于超高密度的恒星聚集区也许是重要的。麒麟座中著名的圣诞树星团（Christmas Tree Cluster，NGC 2264）就是一个非常有趣的例子。在可见光下，这一区域可以看到许多明亮的恒星和大量的尘埃及气体——后者是恒星形成的标志。斯皮策空间望远镜的观测已经揭露了一个深藏在其中的高密度星团，星团中的恒星处于不同的发育阶段。不论是湍流还是竞争吸积在这里发挥了作用，这个星团都为这些过程提供了一张准确的“快照”。

年轻恒星发出的辐射主要集中在长波波段，利用这一特点可以把它们辨认出来。迄今所知的最年轻恒星都聚焦在一个紧凑的星群之中。目前任职于欧洲南方天文台的保拉·特谢拉（Paula Teixeira）及其合作者发现，这些恒星彼此间距大约为0.3光年。这种规则的分布与普通分子云中发生引力坍缩的致密云核应该具有的分布模式刚好相符。然而，即使这些观测有利于湍流模型，这些图像超高的分辨率也足以清晰地显示，一些原本被认为是单颗原恒星的天体其实是致密的星群。其中一个星群在半径0.1光年的范围内包含了10颗原恒星。如此密集的一群天体肯定会发生竞争吸积，至少会在小尺度上发生。

因此，就和坍缩触发机制一样，恒星形成的环境影响也不是非此即彼的。湍流和竞争吸积都有可能发生，具体取决于不同的情况。大自然似乎会利用所有可能的手段来制造恒星。

大质量恒星

大质量恒星数量稀少，寿命也短，但它们在星系演化中起着非常重要的作用。通过辐射和物质外流，它们向星际介质注入能量。在生命结束时，它们会以超新星爆发的形式把重元素抛撒回星际介质。银河系中到处都是由这样的恒星产生的空腔（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倍太阳质量的阈值，它们的辐射压就会超过引力，阻止它进一步增大。除了辐射压以外，质量如此之大的一颗恒星产生的星风也会驱散它的母星云，进一步限制自身的生长，同时影响附近其他恒星的形成。

克鲁姆霍尔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，恒星可以在各种料想不到而又错综复杂的环境中生长。物质内流会变得相当不均匀；高密度区域和星光向外辐射造成的空腔会交替出现。因此，辐射压也许并不是恒星继续生长的障碍。稠密的下落物质会形成伴星，解释了大质量恒星为什么很少“单身”。观测天文学家正利用斯皮策空间望远镜巡视大质量恒星形成区，以期找到证据验证上述模型。但真正做到这一点将会非常困难，因为这些恒星的罕见和“短命”使天文学家很难捕捉到它们的形成过程。

幸运的是，新的设备很快就能帮助我们回答诸如此类与恒星形成有关的问题。赫歇尔空间天文台和平流层红外天文台将在远红外和亚毫米波段上进行观测，恒星形成的过程在这些波段最容易观测。（平流层红外天文台是一架波音747飞机，在空中飞行时会把地球大气中99%的水蒸气甩在身下——正是这些水蒸气阻挡了远红外线，使地面望远镜无法观测到这些辐射。）它们所具有的空间和谱分辨率可以测量出星际云的速度特征。在更长的波段上，目前正在智利建造的阿塔卡玛毫米波大天线阵（Atacama Large Millimeter Array，ALMA）将向我们展现出单颗原恒星的精致细节。

有了这些新的观测设备，天文学家希望能追踪星际介质从原子云到分子云、到星前云核、到恒星、再最终变回弥漫气体的整个循环过程。他们还希望能以足够的角分辨率观测正在形成恒星的盘，以便追踪从星云中下落的物质，并比较不同环境对恒星形成的影响。

对这些问题的解答将波及到天体物理学的其他领域。我们看到的所有东西，不论是星系、星际云、恒星、行星还是人类本身，都是因为有了恒星形成过程才得以存在的。现有的恒星形成理论并非错误百出，但它自身的缺陷使我们无法解释现今宇宙中许多最重要的现象。这些缺陷让我们看到，恒星形成过程的丰富多样超出了以往所有人的预料。