讓我點亮你的世界——恆星的誕生_風聞

　　作者：王啓儒

　　校對：牧夫天文校對組

　　後期：庫特莉亞芙卡 李子琦

　　責任編輯：毛明遠

　　2018年8月12日帕克太陽探測器升空

　　Credit: NASA/Bill Ingalls

不管你是一名資深的天文愛好者，還是一個對星空了解不多的人，當你在一個晴朗的夜晚抬頭仰望星空時，最先映入眼簾的一定會是那一顆顆躍動在黑暗蒼穹之上的繁星——它們或明亮如炬，或暗淡無光、或紅或黃——把那原本單一空曠的夜空點綴得多樣多彩。這成千上萬顆星星，幾乎全部是恆星。説來也有趣，恆星同地球上的生命一樣，有着屬於各自的一生：它們有的剛剛誕生，稚嫩的內核萌生在朦朧的分子團温牀裏；有的正值壯年，通過劇烈的聚變反應向外發光放熱；有的已步入中年，它們開始發福，體積變得碩大，但能量依舊不減；而有的垂垂老矣，發出暗淡微弱的星光，等待着結局的到來。但之後又是新的輪迴！

　　梯度濾鏡下的太陽

　　Credit：NASA Goddard，2017年12月

　　恆星誕生的温牀

　　在冷暗物質（ΛCDM）標準宇宙學框架下，宇宙的結構是自下而上形成的：宇宙中的暗物質由於引力的不穩定性，慢慢聚集成越來越大的暗暈，暗暈中的重子物質經過冷卻後坍縮形成星系。以著名的M31（仙女星系）為例，其內部含有大量的暗物質——這為恆星的誕生提供了最原始最強大的驅動力。它的核心，是一個密集而緊湊的星團，其中藴含着從新恆星的誕生到老年恆星消亡的全過程。

　　M31，仙女座星系

　　Credit: printerset

　　產房——巨分子團

　　上述重子物質坍縮形成星系的過程中冷氣體在小尺度上凝聚成團（巨分子云），恆星在其中誕生。分子氣體形成恆星的過程會受到分子氣體的温度和密度、星系的金屬丰度、星系內部結構等因素的影響；與此同時，有大量理論和觀測工作發現，星系間的相互作用能夠使星系盤上的氣體坍縮，促進恆星的形成。這裏我們以M42（獵户座大星雲）為例，M42是一個非常年輕的天體，其內部有着大量的年輕恆星，同時還有着非常多的星前天體。不得不説，M42是宇宙中恆星誕生最適宜的產房之一了。

　　M42，獵户座大星雲

　　Credit: 梅西耶俱樂部

　　恆星“胚胎”-原恆星

　　上述巨分子團會受到諸如附近恆星爆發產生的激波等外力，從而打破其雲團中壓力與引力的平衡，雲團開始收縮；又或者是隨着帶電粒子緩慢地漂移穿過限制其的磁場線，支撐氣體的磁場開始減弱，致使巨分子團開始收縮。當坍縮開始時，由於引力不穩定性的持續作用，氣體雲團會自然地分裂成越來越小的物質團塊。在此過程中，物質總質量介於0.25~8倍太陽質量之間的碎塊最終會形成類太陽的主序星；物質總質量介於0.08~0.25倍太陽質量之間的碎塊最終會形成低質量的矮星；物質總質量小於0.08倍太陽質量的碎塊最終會形成極低質量的褐矮星；物質總質量大於8倍太陽質量的碎塊最終會形成大質量的巨星或超巨星。隨着雲團碎塊繼續收縮，它們的密度增加，最終使得光子難以逃逸出去。被俘獲的輻射隨之導致雲團温度的上升，壓力也隨之增大，最終碎裂會停止。至此，巨分子團氣體雲團碎塊開始變得像顆恆星了。稠密的、不透明的中心區域被稱為原恆星。這裏我們以金牛座T星（T Tauri）為例，它被發現於NGC 1555分子云附近，半徑較大、温度極低，以至於還不足以引發氫聚變。以收縮產生的引力能量朝向主序帶移動，大概一億年後可以成為主序星。

　　金牛座T星

　　Credit：Wikipedia

　　類太陽恆星的形成

　　原恆星誕生於正在收縮的氣體雲團碎塊中，儘管恆星誕生初期的“胚胎”形態已經形成，但其周圍碎塊仍然在收縮、碎裂，外圍物質向內坍塌得越來越猛烈，原恆星質量不斷增加，半徑在引力的作用下不斷減小。隨着雲團碎塊收縮，它的自轉速度不斷增加，並且變得扁平，最終演化成為一個旋轉的、直徑在100AU（1AU為太陽與地球的平均距離）左右的原恆星盤，圍繞着原恆星運行。原恆星內部的熱量逐漸從熾熱的中心擴散到較冷的表面，並從表面輻射到周圍空間中去。如此產生的效果是——收縮的總體速度在下降，原恆星表面温度幾乎不變，光度隨着收縮而降低。此時的演化階段通常會展現出強烈的表面活動，產生極其猛烈的原恆星風，密度要比從太陽流出的太陽風致密得多。終於，當原恆星質量變為0.25~0.8倍太陽質量，半徑收縮至一百萬公里時，原恆星中心温度達到了足以引發核反應的一千萬開爾文，位於核心的質子開始聚變成氦原子核，一顆類太陽恆星就此誕生。我們以半人馬座α星A（Alpha Centauri）為例，它是一顆質量與太陽相仿位於主序帶上的類太陽恆星。

　　半人馬座α星與太陽的對比

　　Credit：Wikipedia

　　低質量恆星的形成

　　對於質量處於0.08~0.25倍太陽質量的恆星，它的形成過程相似，只是低質量恆星的原恆星是由小質量的氣體雲團碎塊聚合而成。由於星際雲形成主序星所需的時間依賴於它的質量，因此對於質量小於太陽質量的星前天體，形成低質量恆星需要將近10億年的時間。比鄰星（Proxima Centauri）是上述半人馬座α三合星的第三顆星，它是一顆紅矮星，質量為太陽的0.12倍，距地球4.22光年。

　　比鄰星

　　Credit: universe sandbox

　　“失敗”的恆星——褐矮星

　　根據基礎的理論模型，要使核心温度高到能夠點燃核燃燒，氣體所需的最小質量是0.08倍太陽質量（80倍木星質量）。在巨分子團中，總有一些小質量氣體碎塊難以達到點燃核燃燒所需的質量下限，它們並沒有轉變為恆星，而是進一步冷卻，最終變成緻密的、黑暗的“渣塊”——未燃燒物質的寒冷碎塊——它們繞恆星旋轉或在星際空間中流浪，這一類天體被命名為“褐矮星”。褐矮星的質量下限是13倍木星質量，在這個下限之上，恆星內核可以發生氘核聚變反應，由此產生的能量暫時可以用來抵禦星體進一步坍縮，但是氘很快就會消耗完。如果星體質量超過了60倍木星質量，則坍縮後的中心温度可以使內核發生鋰核和質子聚變生成氦核的反應（鋰燃燒），同樣，星體中原本少量的鋰很快就會耗盡。臨近質量上限（80倍木星質量）的褐矮星可能會在內核點燃氫，但是由於自身引力仍不夠強大，氫燃燒產生的能量被“噴濺”散發，使得內核温度下降，氫燃燒很快被熄滅。

　　大質量恆星的形成

　　現在我們把視野放到8倍太陽質量以上的大質量恆星。已知所有恆星都是由原恆星演化而來，而巨分子云是原恆星的產房，星際雲中質量較大的碎塊傾向於產生質量較大的原恆星，並最終形成質量較大的恆星。不管它的質量有多大，原恆星的落腳點終究逃不過主序帶範圍。心宿二（Antares, α Scotpii）是一顆處於主序帶上的紅超巨星，其質量是太陽的12.4倍；距離地球500光年，半徑是太陽的680~800倍；全天區第十五亮星，它和火星是全天最紅的兩個天體。

　　心宿二與太陽的比例對應關係

　　恆星誕生了！太陽孕育着地球萬物，繁星裝扮着夜空！

　　參考材料：

　　[1]王有芬;邵正義.褐矮星的觀測特徵和搜尋.天文學進展.2013年(01):19-38

　　[2]王紅巖.大質量中子星可包含超子.吉林大學學報(理學版).2020年(03):236-240

　　[3] 徐蘭平.恆星的主序後演化.天文學進展.1989年(04):50-58

　　[4] 高揚;肖婷.星系中分子氣體與恆星形成的研究進展.天文學進展.2020年(02):4-21

『天文時刻』 牧夫出品

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國際空間站掠過日面

拍攝於美國弗雷德裏克斯堡，2020年6月24日

Credit：NASA/Joel Kowsky