[科普中國]-原恒星

基本簡介

"原恒星"這個字眼是在1889年的出版品上才首度出現(xiàn)的。

" protostar acquiring two condensations will become a binary and be stable thereafter [..] Whether a binary or a single star results depends largely on the total angular momentum of the protostar"

"原恒星獲得兩個濃縮體將發(fā)展成為聯(lián)星并且是穩(wěn)定的。其結(jié)果是聯(lián)星或單獨的恒星，取決于原恒星的總角動量 1。

大爆炸后的宇宙空間充滿了大致均勻的星際物質(zhì)。這些物質(zhì)中的一些不穩(wěn)定的因素（主要是引力）慢慢地引起星際云中物質(zhì)密度的變化，導(dǎo)致一個或幾個“引力中心”的出現(xiàn)。這些“引力中心”的引力作用使周圍的物質(zhì)向其中心墜落。物質(zhì)以越來越快的速度被吸收，這些物質(zhì)的引力勢能轉(zhuǎn)化為熱能，致使原恒星中心的溫度持續(xù)的升高。當(dāng)溫度達到六七百萬度的時候，“質(zhì)子——質(zhì)子”的聚變核反應(yīng)被點燃。當(dāng)溫度升到一千多萬度時，恒星中心的核反應(yīng)穩(wěn)定地進行。至此，恒星的原恒星階段結(jié)束，主序星階段開始。

在恒星演化過程中處于極早期階段的天體。通常把正處在引力收縮階段的濃密星際物質(zhì)云叫作原恒星，特別是其中的一種近乎球形的球狀體。但也有人認為球狀體的密度還很小,不足以產(chǎn)生引力收縮;而且球狀體中的塵埃與氣體的比例過大，不能成為原恒星的原料。不少人認為赫比格－阿羅天體、金牛座T型變星、耀星以及一些紅外星是原恒星的不同演化階段或不同形態(tài)。

恒星演化早期處在引力收縮階段的濃密星際物質(zhì)云。也有人更嚴格地把原恒星定義為這樣一種天體：它的主要能源既不像主序星來自氫燃燒，也不像主序前恒星靠準流體靜力學(xué)收縮，釋放引力能，而是來自下落物質(zhì)的吸積。恒星孕育和誕生于氣體-塵埃云中，光學(xué)望遠鏡難以探測，尋找原恒星成為紅外天文學(xué)的重要任務(wù)。紅外天文衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)的紅外源中，有些可能是仍然在吸積星云物質(zhì)的真正原恒星。

發(fā)現(xiàn)過程一種最新技術(shù)的電腦模擬提供了人們迄今最為詳盡的有關(guān)宇宙中第一批星球是如何開始存在的畫面。這種電腦模擬是由Naoki Yoshida 在美國和日本的同事研發(fā)的，它所模擬的星球形成披露了星球形成前的氣團是如何在早期宇宙中以較簡單的物理學(xué)方式實際地演變并形成一顆原恒星。原恒星是一種巨大星球的早期階段。了解這些原始星球是如何演變的非常重要，因為它們的形成以及最終的爆炸為接踵而來的星球的產(chǎn)生提供了種子。它們可能會教導(dǎo)我們有關(guān)宇宙中生命和行星起源的有關(guān)知識。

這種新的電腦模擬被Volker Bromm 在一則相關(guān)的Perspective 中稱作“宇宙的Rosetta Stone”，顯示了這種原恒星可能會演化為一顆能夠合成重元素的巨大的恒星，其時間不僅僅是在較后世代的星球中，而且還可在宇宙大爆炸發(fā)生之后不久。人們需要更強有力的電腦、更多的物理數(shù)據(jù)及一個更大的范圍來進行進一步的演算和模擬，但研究人員希望最終能夠?qū)⑦@一模擬擴展到核反應(yīng)啟動的那一點上——即當(dāng)星狀物體變成一顆真正的恒星的那一刻。

也有人更嚴格地把原恒星定義為這樣一種天體：它的主要能源既不像主序星來自氫燃燒，也不像主序前恒星靠準流體靜力學(xué)收縮，釋放引力能，而是來自下落物質(zhì)的吸積。恒星孕育和誕生于氣體-塵埃云中，光學(xué)望遠鏡難以探測，尋找原恒星成為紅外天文學(xué)的重要任務(wù)。紅外天文衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)的紅外源中，有些可能是仍然在吸積星云物質(zhì)的真正原恒星。

大爆炸后的宇宙空間充滿了大致均勻的星際物質(zhì)。這些物質(zhì)中的一些不穩(wěn)定的因素（主要是引力）慢慢地引起星際云中物質(zhì)密度的變化，導(dǎo)致一個或幾個“引力中心”的出現(xiàn)。這些“引力中心”的引力作用使周圍的物質(zhì)向其中心墜落。物質(zhì)以越來越快的速度被吸收，這些物質(zhì)的引力勢能轉(zhuǎn)化為熱能，致使原恒星中心的溫度持續(xù)的升高。當(dāng)溫度達到六七百萬度的時候，“質(zhì)子——質(zhì)子”的聚變核反應(yīng)被點燃。當(dāng)溫度升到一千多萬度時，恒星中心的核反應(yīng)穩(wěn)定地進行。至此，恒星的原恒星階段結(jié)束，主序星階段開始。

基本特征當(dāng)云氣繼續(xù)收縮時，它的溫度會增加。這不是核反應(yīng)造成的，只是重力能量轉(zhuǎn)換成的熱動能。當(dāng)微粒（原子或分子）因為在收縮的碎片中而減少至質(zhì)量中心的距離時，就會導(dǎo)致重力能量的減少。但是因為總能量的守恒，因此伴隨著重力能量的減少，微粒的動能就必須相對的增加。熱動能的增加也會表現(xiàn)在云氣溫度的增加，云氣越收縮溫度增加的就越多。

分子間的碰撞經(jīng)常也可以讓它們成為激發(fā)狀態(tài)，然后經(jīng)由輻射的發(fā)射衰變狀態(tài)。這些輻射都有特定的頻率，在這些溫度（10到20K）發(fā)射的輻射是光譜中的微波或紅外線。這些輻射大部分都會由云氣中逃逸，因此能防止溫度快速的上升。當(dāng)云氣收縮時，分子的數(shù)值密度會增加，這終將使得散發(fā)的輻射越來越難以逃逸。實際上，氣體對這些輻射會變得不透明，并且云氣內(nèi)的溫度將開始更迅速的上升。

云氣在紅外線變得不透明的事實，也使我們難以直接觀測到云氣內(nèi)發(fā)生的變化。我們必須使用波長更長的無線電觀察還能逃逸出來的輻射。另外，理論和計算機的數(shù)值模擬也是了解這個階段所必須的。直到周圍的物體落入中心的凝塊，原恒星的階段才算開始。而當(dāng)周圍的氣體和塵粒都已經(jīng)消散，吸積的過程也都停止，這顆原恒星才會被考慮是是前主序星。

觀測顯示巨型分子云近似在維里平衡的狀態(tài)—總體上，星云中的重力束縛能被星云中構(gòu)成分子的動能平衡。任何對云氣的干擾都可能擾亂它的平衡狀態(tài)，干擾的例子可以是來自超新星的震波；星系內(nèi)旋臂的密度波，或是與其他云氣的接近或碰撞。無論擾動的來源是何種，只要夠大就可能在云氣內(nèi)特定的地區(qū)造成重力大于熱動能的重力變化。

英國的物理學(xué)家詹姆士·瓊斯曾詳細的討論過上述的現(xiàn)像。他能顯示，在適當(dāng)?shù)那闆r下，一團云氣或其中的一部分，將開始如上所述的收縮。他導(dǎo)出了一條公式可以計算云氣所需要的大小和質(zhì)量，以及在重力收縮開始前的溫度和密度。這個臨界質(zhì)量就是所知的瓊斯質(zhì)量，可以由下式得到：瓊斯質(zhì)量計算式 此處 n是特定區(qū)域的密度，m是在云氣內(nèi)氣體平均的質(zhì)量，而T是氣體的溫度。

恒星演化早期處在引力收縮階段的濃密星際物質(zhì)云。也有人更嚴格地把原恒星定義為這樣一種天體：它的主要能源既不像主序星來自氫燃燒，也不像主序前恒星靠準流體靜力學(xué)收縮，釋放引力能，而是來自下落物質(zhì)的吸積。恒星孕育和誕生于氣體-塵埃云中，光學(xué)望遠鏡難以探測，尋找原恒星成為紅外天文學(xué)的重要任務(wù)。紅外天文衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)的紅外源中，有些可能是仍然在吸積星云物質(zhì)的真正原恒星。

在恒星演化過程中處于極早期階段的天體。通常把正處在引力收縮階段的濃密星際物質(zhì)云叫作原恒星，特別是其中的一種近乎球形的球狀體。但也有人認為球狀體的密度還很小,不足以產(chǎn)生引力收縮;而且球狀體中的塵埃與氣體的比例過大，不能成為原恒星的原料。不少人認為赫比格－阿羅天體、金牛座T型變星、耀星以及一些紅外星是原恒星的不同演化階段或不同形態(tài)。

影響因素原恒星的形成是天體物理學(xué)領(lǐng)域中最為基礎(chǔ)性的問題，因為它是解答其他許多問題所必須知道的常識。這些問題包括恒星系的形成、太陽系的形成等問題。這一物理過程涉及到了某一包含有不規(guī)則磁場的部分離子化粒子的湍流行為。當(dāng)前核心的爭論主要圍繞著湍流開始消退的時間，以及磁場和湍流所起到的作用的重要程度。諸如毫米波照相機等新的技術(shù)進步使我們可以觀察星體的溫度及密度分布，并可以讓我們統(tǒng)計分析在自身引力作用下正在崩潰及處于崩潰邊緣的天體的壽命。同時，計算機計算能力的提高，使得我們可以使用包含磁場及紊流效應(yīng)的更為復(fù)雜的模型。 一團高溫、稀疏、有強磁場并高速旋轉(zhuǎn)的氣團（就是所謂的星際云），要降低溫度、磁場變?nèi)?、旋轉(zhuǎn)變慢、最后收縮到形成恒星，有哪些因素起作用呢。

首先是引力。沒有引力，絕不會形成恒星的。原恒星形成的過程就是引力戰(zhàn)勝所有其他阻礙使得氣團收縮為致密的恒星的過程。一團密度均勻、溫度相同而又相對靜止的氣團，它們之間的自引力必然相互抵消，不會發(fā)生收縮。因此，要形成恒星就要使氣團內(nèi)有的地方密度高，有的地方密度低。但同時我們知道，密度高的氣體要往密度低的地方流動。密度高的地方的引力如果能夠壓倒這種向密度低區(qū)域流動的作用，那么就能收縮形成恒星。這個在天文學(xué)上有一個著名的判據(jù)：Jeans不穩(wěn)定性。如果密度相差的程度（天文學(xué)上用密度的功率譜來表示，這里是功率譜的波長）超過了Jeans波長，那么肯定會發(fā)生坍縮。這個Jeans不穩(wěn)定性有一個簡單的物理解釋。大家知道，總能量包括動能和勢能，其中動能是一個正值，而引力勢能為負值。如果密度相差的程度使得總能量為負值，那么氣體的熱運動就會被引力所壓倒，最后坍縮。

其次是磁場。星際云中大部分是中性粒子，比如氫原子，即不帶電荷。但也有部分帶電荷的離子等存在。如果星際云中有磁場，那么這些帶電粒子的運動就要受到影響。在磁場中運動的導(dǎo)電流體，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，將在隨流體運動的回路里產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。如果任意運動回路中的磁通量不變，磁力線必然隨流體一起運動，猶如磁力線與流體牢固地粘在一起。這個現(xiàn)象稱為磁場的“凍結(jié)”效應(yīng)，即磁場與流體完全凍結(jié)起來。這時磁場所滿足的方程稱為“凍結(jié)方程”。

這樣，引力就要克服這個凍結(jié)效應(yīng)才能繼續(xù)坍縮下去。而這個磁場也有一種機制會逐漸減弱，這種機制叫“雙極擴散”，磁場為阻止引力坍縮的主要機制的理論在過去幾十年里一直是恒星形成理論的基礎(chǔ)，被新理論取代。還有湍流。湍流其實只是一種能量的傳遞方式。湍流中的能量傳遞特點是從最大的渦流傳到次大的渦流，最后傳到最小的渦流。提出超音速的、可壓縮的湍流是阻止引力坍縮的最主要的機制，目前這種理論是最熱門也是最成功的。

研究原因原恒星是非常重要的。原恒星是輻射的主要來源，是重于氫和氦的元素的主要來源，也是我們獲取宇宙信息的主要來源。要形成我們所在的豐富的重元素的環(huán)境，需要多次恒星的誕生和滅亡，也就是說，我們其實都是恒星的塵埃。我們研究宇宙，理解其演化，這些信息大部分都來自于宇宙輻射。

在可見光波段，幾乎所有的光都來自于恒星（太陽、遙遠的星星），月亮和其他行星的光來自于太陽光的反射。而星空中那些黑暗的部分，包括星際塵埃等，阻止可見光通過，因此看起來是黑的，而暗物質(zhì)根本就和光沒有接觸。但它們對于恒星發(fā)出的我們?nèi)庋劭床灰姷母鞣N波段的輻射，特別是射電波段、毫米波段和遠紅外波段則是透明的，也就是我們能夠接收到這些輻射并研究它們。

研究恒星的形成對于人類理解宇宙的形成和宇宙中的輻射信息有重要意義。原恒星對于理解星系構(gòu)成有重要作用。質(zhì)量是恒星演化的最重要參數(shù)，大質(zhì)量恒星中心壓力大、壽命短、亮，小質(zhì)量恒星則相反。由于大質(zhì)量恒星的壽命短，它們的演化還是受產(chǎn)生它們的因素的控制，星系對其影響不大，因此研究這些恒星的在何種條件下形成就能知道星系的構(gòu)成。

碎裂恒星經(jīng)常被發(fā)現(xiàn)是成群的，而且看似同一個時間形成的，也就是所知道的星團。這可以被解釋為當(dāng)云氣收縮時他的密度是不均勻的。事實上，第一個指出這一點的是理查德·拉森，當(dāng)恒星在巨分子云內(nèi)形成時，可以全面的觀察到在云氣內(nèi)所有尺度上的湍流速度都增加了。這些湍流的速度壓縮氣體產(chǎn)生震波，通常會在巨分子云尺度和密度的廣大范圍內(nèi)引發(fā)絲狀和團塊的結(jié)構(gòu)。這個過程被稱為湍流碎裂。一些團塊結(jié)構(gòu)超過了瓊斯質(zhì)量并且重心變得不穩(wěn)定，可能會在被分顆成單一或多星的系統(tǒng)。

無論原因為何，云氣因碎裂而變得較小，密度較高的區(qū)域可能會持續(xù)再成為更小的區(qū)域，結(jié)果是成為原恒團。這與星團是普遍存在的觀測現(xiàn)象一致。

相關(guān)信息**恒星****,**主序星，白矮星，褐矮星，中子星，黑洞

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新華網(wǎng)巴黎4月12日電（記者李學(xué)梅）歐洲航天局12日宣布，該機構(gòu)發(fā)射的“赫歇爾”衛(wèi)星日前拍下了宇宙中正在形成的巨型原恒星的圖像，這些巨型原恒星每一顆的質(zhì)量都超過太陽的10倍。

歐航局當(dāng)天發(fā)表公報說，“赫歇爾”衛(wèi)星拍下了距地球5000光年的薔薇星云和位于它周邊的一片范圍更大云團的圖像。這個云團遍布塵埃和氣體等物質(zhì)，足以形成一萬個與太陽類似的恒星。從圖像上可以看到，云團色彩絢爛，極為壯觀。公報稱，不同的顏色代表著塵埃的不同溫度，其浮動范圍從零下263攝氏度（僅比絕對零度——零下273攝氏度高出10攝氏度）到零下223攝氏度。

歐航局表示，圖像中的亮斑正是巨型原恒星，即處于極早期演化階段的恒星。它們被塵埃包裹起來，宛如一個個蠶蛹。未來，這些龐然大物都有可能形成質(zhì)量超過太陽10倍的巨大恒星。此外，圖像中還有一些較小的亮點，它們是質(zhì)量較小的原恒星，與太陽不相上下。

公報稱，這是“赫歇爾”衛(wèi)星首次拍下如此之巨的原恒星，對研究巨型恒星的形成過程十分重要。

“赫歇爾”衛(wèi)星是人類有史以來發(fā)射的體積最大的遠紅外線太空望遠鏡，主要用于研究星體和星系的形成過程。2009年5月，它與宇宙輻射探測衛(wèi)星“普朗克”一起從法屬圭亞那庫魯航天中心發(fā)射升空。

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