让我点亮你的世界——恒星的诞生

　　作者：王启儒

　　校对：牧夫天文校对组

　　后期：库特莉亚芙卡 李子琦

　　责任编辑：毛明远

　　2018年8月12日帕克太阳探测器升空

　　Credit: NASA/Bill Ingalls

　　不管你是一名资深的天文爱好者，还是一个对星空了解不多的人，当你在一个晴朗的夜晚抬头仰望星空时，最先映入眼帘的一定会是那一颗颗跃动在黑暗苍穹之上的繁星——它们或明亮如炬，或暗淡无光、或红或黄——把那原本单一空旷的夜空点缀得多样多彩。这成千上万颗星星，几乎全部是恒星。说来也有趣，恒星同地球上的生命一样，有着属于各自的一生：它们有的刚刚诞生，稚嫩的内核萌生在朦胧的分子团温床里；有的正值壮年，通过剧烈的聚变反应向外发光放热；有的已步入中年，它们开始发福，体积变得硕大，但能量依旧不减；而有的垂垂老矣，发出暗淡微弱的星光，等待着结局的到来。但之后又是新的轮回！

　　梯度滤镜下的太阳

　　Credit：NASA Goddard，2017年12月

　　恒星诞生的温床

　　在冷暗物质（ΛCDM）标准宇宙学框架下，宇宙的结构是自下而上形成的：宇宙中的暗物质由于引力的不稳定性，慢慢聚集成越来越大的暗晕，暗晕中的重子物质经过冷却后坍缩形成星系。以著名的M31（仙女星系）为例，其内部含有大量的暗物质——这为恒星的诞生提供了最原始最强大的驱动力。它的核心，是一个密集而紧凑的星团，其中蕴含着从新恒星的诞生到老年恒星消亡的全过程。

　　M31，仙女座星系

　　Credit: printerset

　　产房——巨分子团

　　上述重子物质坍缩形成星系的过程中冷气体在小尺度上凝聚成团（巨分子云），恒星在其中诞生。分子气体形成恒星的过程会受到分子气体的温度和密度、星系的金属丰度、星系内部结构等因素的影响；与此同时，有大量理论和观测工作发现，星系间的相互作用能够使星系盘上的气体坍缩，促进恒星的形成。这里我们以M42（猎户座大星云）为例，M42是一个非常年轻的天体，其内部有着大量的年轻恒星，同时还有着非常多的星前天体。不得不说，M42是宇宙中恒星诞生最适宜的产房之一了。

　　M42，猎户座大星云

　　Credit: 梅西耶俱乐部

　　恒星“胚胎”-原恒星

　　上述巨分子团会受到诸如附近恒星爆发产生的激波等外力，从而打破其云团中压力与引力的平衡，云团开始收缩；又或者是随着带电粒子缓慢地漂移穿过限制其的磁场线，支撑气体的磁场开始减弱，致使巨分子团开始收缩。当坍缩开始时，由于引力不稳定性的持续作用，气体云团会自然地分裂成越来越小的物质团块。在此过程中，物质总质量介于0.25~8倍太阳质量之间的碎块最终会形成类太阳的主序星；物质总质量介于0.08~0.25倍太阳质量之间的碎块最终会形成低质量的矮星；物质总质量小于0.08倍太阳质量的碎块最终会形成极低质量的褐矮星；物质总质量大于8倍太阳质量的碎块最终会形成大质量的巨星或超巨星。随着云团碎块继续收缩，它们的密度增加，最终使得光子难以逃逸出去。被俘获的辐射随之导致云团温度的上升，压力也随之增大，最终碎裂会停止。至此，巨分子团气体云团碎块开始变得像颗恒星了。稠密的、不透明的中心区域被称为原恒星。这里我们以金牛座T星（T Tauri）为例，它被发现于NGC 1555分子云附近，半径较大、温度极低，以至于还不足以引发氢聚变。以收缩产生的引力能量朝向主序带移动，大概一亿年后可以成为主序星。

　　金牛座T星

　　Credit：Wikipedia

　　类太阳恒星的形成

　　原恒星诞生于正在收缩的气体云团碎块中，尽管恒星诞生初期的“胚胎”形态已经形成，但其周围碎块仍然在收缩、碎裂，外围物质向内坍塌得越来越猛烈，原恒星质量不断增加，半径在引力的作用下不断减小。随着云团碎块收缩，它的自转速度不断增加，并且变得扁平，最终演化成为一个旋转的、直径在100AU（1AU为太阳与地球的平均距离）左右的原恒星盘，围绕着原恒星运行。原恒星内部的热量逐渐从炽热的中心扩散到较冷的表面，并从表面辐射到周围空间中去。如此产生的效果是——收缩的总体速度在下降，原恒星表面温度几乎不变，光度随着收缩而降低。此时的演化阶段通常会展现出强烈的表面活动，产生极其猛烈的原恒星风，密度要比从太阳流出的太阳风致密得多。终于，当原恒星质量变为0.25~0.8倍太阳质量，半径收缩至一百万公里时，原恒星中心温度达到了足以引发核反应的一千万开尔文，位于核心的质子开始聚变成氦原子核，一颗类太阳恒星就此诞生。我们以半人马座α星A（Alpha Centauri）为例，它是一颗质量与太阳相仿位于主序带上的类太阳恒星。

　　半人马座α星与太阳的对比

　　Credit：Wikipedia

　　低质量恒星的形成

　　对于质量处于0.08~0.25倍太阳质量的恒星，它的形成过程相似，只是低质量恒星的原恒星是由小质量的气体云团碎块聚合而成。由于星际云形成主序星所需的时间依赖于它的质量，因此对于质量小于太阳质量的星前天体，形成低质量恒星需要将近10亿年的时间。比邻星（Proxima Centauri）是上述半人马座α三合星的第三颗星，它是一颗红矮星，质量为太阳的0.12倍，距地球4.22光年。

　　比邻星

　　Credit: universe sandbox

　　“失败”的恒星——褐矮星

　　根据基础的理论模型，要使核心温度高到能够点燃核燃烧，气体所需的最小质量是0.08倍太阳质量（80倍木星质量）。在巨分子团中，总有一些小质量气体碎块难以达到点燃核燃烧所需的质量下限，它们并没有转变为恒星，而是进一步冷却，最终变成致密的、黑暗的“渣块”——未燃烧物质的寒冷碎块——它们绕恒星旋转或在星际空间中流浪，这一类天体被命名为“褐矮星”。褐矮星的质量下限是13倍木星质量，在这个下限之上，恒星内核可以发生氘核聚变反应，由此产生的能量暂时可以用来抵御星体进一步坍缩，但是氘很快就会消耗完。如果星体质量超过了60倍木星质量，则坍缩后的中心温度可以使内核发生锂核和质子聚变生成氦核的反应（锂燃烧），同样，星体中原本少量的锂很快就会耗尽。临近质量上限（80倍木星质量）的褐矮星可能会在内核点燃氢，但是由于自身引力仍不够强大，氢燃烧产生的能量被“喷溅”散发，使得内核温度下降，氢燃烧很快被熄灭。

　　大质量恒星的形成

　　现在我们把视野放到8倍太阳质量以上的大质量恒星。已知所有恒星都是由原恒星演化而来，而巨分子云是原恒星的产房，星际云中质量较大的碎块倾向于产生质量较大的原恒星，并最终形成质量较大的恒星。不管它的质量有多大，原恒星的落脚点终究逃不过主序带范围。心宿二（Antares, α Scotpii）是一颗处于主序带上的红超巨星，其质量是太阳的12.4倍；距离地球500光年，半径是太阳的680~800倍；全天区第十五亮星，它和火星是全天最红的两个天体。

　　心宿二与太阳的比例对应关系

　　恒星诞生了！太阳孕育着地球万物，繁星装扮着夜空！

　　参考材料：

　　[1]王有芬;邵正义.褐矮星的观测特征和搜寻.天文学进展.2013年(01):19-38

　　[2]王红岩.大质量中子星可包含超子.吉林大学学报(理学版).2020年(03):236-240

　　[3] 徐兰平.恒星的主序后演化.天文学进展.1989年(04):50-58

　　[4] 高扬;肖婷.星系中分子气体与恒星形成的研究进展.天文学进展.2020年(02):4-21

『天文时刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

国际空间站掠过日面

拍摄于美国弗雷德里克斯堡，2020年6月24日

Credit：NASA/Joel Kowsky