恒星起源于寒冷的星空

伤我心太深

译自Sky & Telescope, Vol. 113, No. 6 (2007)天文学家更加明晰地了解了类太阳恒星始于纯然气体和尘埃的起源。
日复一日，太阳看起来是稳定恒久的。在明亮的下午，当你沐浴在它的光芒之下时，你不大可能去思考它的起源。冷静的思辨认为，它并非一直在此处，而且并不如我们所认为的那样永恒。
由于与地球邻近，太阳对于我们来说是很特别的。但夜空布满了无数的星辰，其中的一些类似于太阳，其他的质量和亮度则比太阳更大或更小。在这数以十亿计的恒星中，也许相当一部分（甚至是大多数）周围拥有行星系统。
北半球冬季夜晚的标志是猎户座。遍布繁星的背景被不可见的气体尘埃带穿过，它们遮住了我们的视野，让我们无法目睹混乱的产星过程中的大多数。如果你将望远镜对准猎户宝剑中央的那颗“星”，你就会发现，它是模糊的一团。这根本不是单独的恒星，而是一窝刚刚孕育出的太阳，正将诞生的云团吹散。
使用大型专业望远镜观测猎户座，就可以将这些“原恒星”辨认出来，其中有相当一部分都被气体和尘埃盘环绕，而这正是坍缩形成行星的地方。

在红外波段观测，就可以看到猎户座分子云中的产星活动，它们隐藏在尘埃中，在可见光波段上不可见。（图片提供：Doug Johnstone）

但太阳、宇宙中的其他恒星以及附带的行星是如何产生的呢？在过去的20年间，象我这样的天文学家逐渐揭示了细节。有趣的是，所有这些炽热明亮的核聚变熔炉都在星系中最寒冷、最黑暗的地方出现，也就是位于尘埃云内的致密团块。
现在我们知道，银河系中有数以千计的暗星云，恒星就在它们内部诞生。象金牛座和英仙座中的那些云团至多能产生几倍于太阳质量的恒星。更大的云团（如猎户座中的那些）可以产生致密的星团，其中有质量较小的恒星，也有质量较大的。引人注目的是，太阳形成的区域与猎户座类似。因此，我们能凭借对猎户座的研究来探明自身起源的历史。

近邻宇宙中的恒星诞生
我们观测到的任何一片天区都有恒星在产生。在我们的周围，恒星主要在类似银河系的旋涡星系中产生。但在矮星系和不规则星系中也有产星活动，而当星系相撞时，它们也会从爆发的活动中涌现。其共同特征是冷而暗的大型气体尘埃云的存在，这类云团叫做巨分子云（GMC）。它们的尺度达数百光年，其中有着数千倍太阳质量的物质。
GMC中的气体主要的氢，并有少量重元素，如氧、碳、硅等，同时还存在一氧化碳、氨、水、甲醇等复杂分子。寒冷的大型云团使得其中的分子和原子聚集成团，形成了大小在一微米（0.001毫米）左右的尘埃。虽然尘埃只占GMC的1%，它们却有效地遮挡了可见光甚至近红外光。因此，GMC看起来就是群星环绕的空洞暗斑。
包括新墨西哥州甚大天线阵在内的射电望远镜可以探测到星际云团中的氨，而天文学家将这种分子视作温度计。氨分子发射线的强度正比于气体的温度。如今，通过进行类似的测量，我们知道了旋涡星系中气体和尘埃的温度只有10至50开尔文（比绝对零度高10至50摄氏度）。
巨分子云中可能还有氨基酸的存在。想象一下，形成行星的原初物质中就包含了生命的构造基石！2005年，荷兰莱顿天文台的Fred Lahuis首度为这一观点提供了确定性的证据。Lahuis使用NASA的斯必泽太空望远镜在蛇夫座375光年外的地方发现了行星形成区含有DNA和蛋白质组成分子的幼年行星系统。也许生命会在该系统中诞生，最终走向繁荣。

咖啡中的云团
早先，天文学家为GMC所困惑。我们的疑惑是，为什么GMC没有在自身引力的作用下坍缩，并造就猛烈的产星活动。是什么力量让云团在数十亿年间都不能简单地自我坍缩？为什么宇宙中的气体并未耗尽？
20世纪90年代，全世界的天文学家都意识到，答案蕴藏在湍流的物理性质中。当你向咖啡中倒入奶油的时候，发生的混乱融合是与星际空间中相同的，只是后者的尺度是在数百乃至数千光年上的。
湍流使云团内部产生旋涡，因此它们无法轻易坍缩。作用力源自云团的内部和外部，前者如热量和激波，后者如星系自转或超新星爆发。带电粒子（电子、质子和离子）沿贯穿GMC的磁力线，它们产生的磁压也阻碍了自身的坍缩。
当然，热量、湍流和磁压都存在自身的极限，否则恒星就永远不可能由坍缩形成了。关键在于，GMC并不均匀，它们的动力学结构与致密的纤维结构和核结构扭结。在数万年间，扭结逐渐变冷，气体的湍动减弱，磁场消逝。
如此的不活跃状态使得云团核在自身引力的吸引下坍缩成一个或几个中心团块，这是恒星诞生的基石。每个团块中大致包一至数十倍太阳质量的气体和尘埃，典型尺度小于1/6光年，这相当于海王星轨道半径的160倍。

原恒星的幼年生活
通常的情况是，坍缩云团中的不对称性和湍动会产生略带自转（也就是角动量）的团块。旋转的原恒星“种子”被引力束缚在一起，其加热的原因是粒子碰撞导致的内部气体热压，而非成年恒星那样的核聚变。当引力使得原恒星进一步收缩时，由于角动量必然守恒，气体球的旋转就越来越快。
如果所有快速旋转的物质都径直落向中心，团块的自转就会快到让它四分五裂飞散而开的地步。实际上，如果没有阻止过度自转的途径，只有约莫0.05倍太阳质量的恒星可以诞生。但比这重得多的恒星都形成了——我们的太阳就是明显的证据。
吸积盘的存在解决了这一表面上的困难。这是环绕原恒星运动的气体尘埃盘。盘可以让慢速旋转的物质在原恒星表面积累（也就是吸积），而让快速旋转的物质从垂直于盘面的强大喷流中流出系统，从而调节了角动量。如今，人们已经发现了超过400个原恒星拥有双极外流物。
沿两道外流物长轴排布的是电离的喷流，其速度可以达到每秒100公里有余（每小时222000英里）。喷流通常被更为宽大的气体泡包裹，气体泡形成了每秒运动速度几十公里的壳层。

球状暗云BHR 71中的新生恒星破茧而出。左：使用欧洲南方天文台甚大望远镜的8.2米Yepun反射镜拍摄的可见光图象，其中深埋在星云中的恒星喷出的喷流闪耀出一缕星光。（图片提供：J. Alves & Others, VLT）右：NASA的斯必泽太空望远镜拍摄的假彩色红外图象，尘埃的面纱被揭开，内里新生恒星喷出的两道喷流都显露了出来。（图片提供：NASA / JPL-Caltech / T. Bourke, CfA）

吸积盘的直径大约在100至1000天文单位（AU）之间。作为比较，原恒星的双极喷流可以延伸到更远的地方，长度约3至30光年。它们从分子云中冲击穿过，进入星际空间。
目前，我们还没有很成功地找到内流（吸积到原恒星之上的物质）与外流（从系统中抛射出去的物质）之间的物理联系。问题在于，我们当前的望远镜并不能直接观测到原恒星周围发生的事情。我们在更大的尺度上寻找着点滴的线索（例如探测喷流和盘的外围），然后使用数学和物理模型推测更小尺度上发生了什么。

预测过去
已经有一些理论模型来解释盘对吸积的调节以及外向喷流的产生。所有模型的关键因素都是穿越盘面的磁场。它可以让快速旋转的电离物质更有效地从盘面上下离开，并将其猛掷出去。
模型的预言是，盘中的剩余气体会旋转得更慢，这是因为外流气体带走了系统的角动量。这样，引力就变得比离心力更为强大，使减速后的物质离开盘面，在原恒星表面积累起来。
但模型并不能解释一切。举例来说，我们对盘中的物质“装填”入磁场线并被抛出的过程并不十分清楚。局部的加热和湍动的旋涡可能有助于将快速旋转的物质带到盘面以外，物质在这里会被原恒星的辐射和激波波前电离。之后气体会向上向外运动，把角动量带走，这类似于旋转的电缆上水珠的行为。
在过去的几年中，意大利Arcetri天文台的Francesca Bacciotti和Leonardo Testi等人领导的数个天文学家小组使用哈勃太空望远镜测量了源自原恒星的喷流中电离气体的自转，这些原恒星将产生太阳质量的恒星。假设外流物的自转与下面盘的自转相同，测得的速度说明，喷射物是从距离恒星0.03到2AU的距离上抛出的。换句话说，源自新生太阳的外流物可能正是从盘中产生地球和其他类地行星的区域抛出的。

猎户座的一颗新生恒星抛出了长达12光年的喷流。在这张合成照片中，赫比格-阿罗111的可见光喷流以蓝色和绿色表示，恒星周围的区域以红色表示（红外图象）。虽然红外光可以穿过周围的部分云团，但侧向我们的吸积盘还是直接遮住了恒星。（图片提供：NASA / B. Reipurth, CASA, Uni. of Colorado）

最近的原恒星与地球的距离都有几百光年。在如此遥远的距离上，产生喷流的区域张角只有0.01角秒。哪怕对于哈勃来说，这都超出了能力。但目前正在智利兴建的阿塔卡玛大型亚毫米波阵列（ALMA）可以达到如此高的分辨率。
使用ALMA之后，我们可能会最终将原恒星的内流和外流联系起来。高速喷流湍动的基部是否与类地行星的诞生有关呢？是不是行星只能在吸积和外流结束之后才能产生？当新的射电望远镜在2012年完工后，这类问题就是需要我们解决的。

恒星诞生，与行星一道
不论联系物质流的细节是什么，有一个问题是很关键的：一颗质量与太阳相同的横行要在几千万年间逐渐从旋转的盘面中缓慢地吸积物质才能诞生。最终，喷流和生长中的原恒星会清空周围的云团，直到几乎没有气体剩下。在几百万年的时间里，吸积和喷射过程减慢到极低的程度。
在接下来的1亿年间，原恒星逐渐收缩，其核区的压力增大，温度升高，直到中心足以点燃氢聚变的火焰——一颗恒星诞生了。残留的吸积盘气体、尘埃和石砾最终产生了行星系统。
去年，天文学家发现，这一图景对最小质量恒星（0.1倍太阳质量，仅仅相当于100倍木星质量）的诞生是成立的。甚至褐矮星（质量只有木星的15至75倍，仅仅比行星本身稍大）的形成途径似乎也与之相同，对于质量只有木星5倍的更小天体也一样。
利用NASA斯必泽太空望远镜的空前红外灵敏度，德克萨斯大学Austin分校的Neal Evans和他的同事发现了太阳附近仍有无数正在诞生的褐矮星候选对象。多伦多大学的Ray Jayawardhana证实，这些小质量的天体存在吸积和外流现象。难道我们被拥有各自行星家族的自由褐矮星包围着吗？也许这类系统比太阳这样的恒星更为普遍。
最近，哈佛—史密松天体物理中心的Subhanjoy Mohanty及其同事宣布，他们发现了一颗褐矮星，它拥有一颗行星质量的伴星，而伴星本身拥有盘结构！能够认识到哪怕质量最低的天体也可以通过螺旋成长的形式诞生，而行星就处在它们那微小的吸积盘中，是非常让人惊讶的。
接下来的几年必然是激动人心的，我们将继续揭秘太阳系的起源，也可能距离回答如下问题更近一步：其他恒星周围是否有能够存在生命的行星？