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宇宙未解之谜:恒星产生之谜

2014.12.12

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                                                        恒星产生之谜

 

一、恒星产生之谜(版本1)

    根据弥漫说的理论,恒星形成可分为两个阶段,开始时先由极其稀薄的物质凝聚成星云并进一步收缩成原恒星,然后原恒星才发展成为恒星。

1. 巨大的星云

        星际空间普遍存在极稀薄的物质,由于分布不均匀而往往分裂成团块,并向中心凝聚,成为弥漫星云。 弥漫星云在逐步凝聚收缩过程中进一步分裂,变成体积和质量更小而密度却更高的小球状星云。 星云很庞大,半径起码有好几光年。它的外原物质自由地向中心坠落,收缩进行得相当快,但也需几百万年的时间才能落到中心区。随着快收缩过程的进行,星云内部的密度迅速增大,温度快速升高,气压也相应增强,随之发生一系列的反应,使外原物质下落的速度和小球状体的收缩速度减缓,即进入慢收缩阶段。 星云的形状各异,人们用肉眼只能看到一个猎户座大星云。

2. 原恒星阶段

        一般把处于慢收缩阶段的天体称为原恒星。慢收缩开始后,中心区受强烈压缩而升温并发出热辐射,直到最后中心温度升到约800至1000万度以上,由氢原子核聚变为氦原子核的热核反应提供足够的能量,使内部压力与引力处于相对平衡状态,一颗恒星就正式诞生了。 原恒星进一步形成恒星的收缩过程要持续几百万到几千万年。


    在17世纪时,牛顿提出:散布于空间中的弥漫物质可以在引力作用下凝聚为太阳和恒星的设想经过历代天文学家的努力,已逐步发展成为一个相当成熟的理论。观测表明,星际空间存在着许多由气体和尘埃组成的巨大分子云。这种气体云中密度较高的部分在自身引力作用下会变得更密一些。当向内的引力强到足以克服向外的压力时,它将迅速收缩落向中心。如果气体云起初有足够的旋转,在中心天体周围就会形成一个如太阳系大小的气尘盘,盘中物质不断落到称为原恒星的中央天体上。在收缩过程中释放出的引力能使原恒星变热,当中心温度上升到1000万度以引发热核反应时,一颗恒星就诞生了。恒星的质量范围在0.1-100个太阳质量之间。更小的质量不足以触发核反应,更大的质量则会由于产生的辐射压力太大而瓦解。近年来,红外天文卫星探测到成千上万个处于形成过程中的恒星,毫米波射电望远镜在一些原恒星周围发现由盘两极射出的喷流。这些观测结果对上述理论都是有力的支持。

          恒星的颜色与其表面温度的关系:其他所有恒星也和太阳一样,是炽热的大火球。不过,它们的表面温度并不相同,天文学家发现,恒星的表面温度越高,它发出的光线的颜色越偏向紫色,温度越低,越偏向红色。因此,通过恒星的颜色,可以较为粗略地判断该恒星表面温度的相对高低。

 
二、恒星产生之谜(版本2)

    赫歇尔空间望远镜将于本周由欧洲宇航局发射,它将与普朗克空间望远镜协同工作,揭开红外波谱天文学勘测的新篇章。通常人们认为红外光线多数情况下与热量有关,但并不是只有最炽热的物体才释放能量,甚至一个冰块也会释放红外线能量。

 宇宙星体目标的表面温度一般为2000摄氏度,与太阳表面5500摄氏度的温度相比较为寒冷,实际上多数宇宙星体以红外线波段释放能量,在可见波谱中呈现出黑色团状。但在赫歇尔未投入工作之前,相关的宇宙红外线观测都是不完全的。


1. 观测宇宙的“透明窗口”

 地面上的望远镜无法有效地通过红外光线观测宇宙天体,其原因是红外光线多数被地球大气层中的水雾所阻挡。其他太空基础的望远镜仅能观测特定红外波段的范围,而赫歇尔空间望远镜则提供了一个广泛观测宇宙的“透明窗口”。

 美国宇航局喷气推进实验室负责赫歇尔空间望远镜的方案科学家保罗-戈德史密斯(Paul Goldsmith)说:“赫歇尔空间望远镜发射之后,我们观测宇宙将不再是通过一个模糊的窗口,而是一扇'透明窗口’。”

 据悉,赫歇尔空间望远镜的镜面直径为3.5米,这是迄今发射至太空中镜面直径最大的望远镜,是哈勃望远镜镜面直径的1.5倍。赫歇尔望远镜将能够探测到比任何任务更多的远红外线范围内的宇宙星体,包括银河系和银河系之外的星体。此外,该望远镜的重量仅是之前红外空间望远镜重量的二十分之一。它的命名源自天文学家威廉-赫歇尔(William Herschel),他于200年前发现红外线,该望远镜能够探测到温度在零下263摄氏度的宇宙星体。

戈德史密斯说:“通过这个望远镜,天文学家将能够以远红外波段下更好地观测宇宙。”


2. 新红外线观测角度——探测水和氧气

 在太阳系,赫歇尔空间望远镜将检测小行星、柯伊伯带和彗星,它们很可能是早期太阳系形成时的残留物质,这些星体可以掌握着包括地球在内的太阳系行星形成之初的原始物质,其中该望远镜的一个重要探测目标就是在这些星体中发现水是否存在,这是科学家们非常关注的。

 戈德史密斯告诉美国太空网说:“最令科学家产生兴趣的探测目标之一的就是在宇宙中发现水。”许多天文学家认为彗星可能供给地球水资源,当彗星接近太阳的轨道时,彗星这种冰冻雪球结构中部分冰会融化成水,目前赫歇尔将探测彗星中水的化学成份,从而印证这一推测是否成立。

 赫歇尔空间望远镜还能够探测到星际灰尘云中是否存在液态水,并与太阳系内的水化学成份进行对比。戈德史密斯称,这将揭示我们太阳系与之外宇宙环境的关联性。同时,天文学家还期望通过赫歇尔空间望远镜发现另一种人类所熟知的分子——氧气。天文学家推测星际介质中大量存在着氧气,但至今没有任何观测仪器在星际中探测到氧气的存在。

 赫歇尔空间望远镜将在银河系研究恒星形成区域,进而首次探索恒星早期形成历程和银河系中年轻恒星是如何形成的。通常婴儿恒星被包裹在寒冷气体和灰尘构成的“子宫”中。戈德史密斯解释说:“你无法看到恒星内部,除非到该恒星真实地诞生。但是赫歇尔空间望远镜却通过透过灰尘云观测到更遥远的婴儿恒星。从而揭示恒星形成之谜。今后通过该望远镜,我们将观测到恒星形成区域,我认为这将是非常美丽的图像。”


3. 揭晓银河系的身世

 天文学家们也希望使用赫歇尔空间望远镜能够观测包裹恒星的灰尘残骸盘,该区域通常被认为是行星的主要诞生地。这颗空间望远镜还将检测银河系之外的恒星形成,天文学家知道在宇宙大爆炸之后恒星和星系诞生的速度非常快,恒星的形成在早期宇宙尤为频繁。年轻的星系大量制造的恒星将在红外线波谱下呈现发亮,赫歇尔作为主流空间望远镜将更好地理解早期宇宙婴儿恒星是如何诞生的,以及如何区别现今恒星的形成过程。

 戈德史密斯说:“我们希望能够更多地揭示宇宙之谜,银河系被认为是由漫射的红外宇宙背景物质构成的,之前斯皮策空间望远镜仅能简单地表达描述银河系,但当前的赫歇尔空间望远镜将定位聚焦观测银河系,准确查找红外宇宙背景物质的来源。”


 
三、探索恒星形成之谜

在珍妮·李·莱文斯 1957年推出唱片“大火球”之前,人类就已经开始思索有关恒星形成的问题了。莱文斯的唱片给流行乐坛带来了革命,使自那以后的整整三代人蹦个不停,转个不停。

  天体物理学家和天文学家们也分享着莱文斯的音乐所带来的那份激动。但是同时,天体物理学家们还不得不付出更多的努力,来了解在我们的天空形成的那个晚上,曾经存在的那些大火球是如何舞动的。宇宙中的发光物质是来源于一颗恒星,还是一群恒星?后来的恒星形成是因为一个共同的变化规律(如分子云崩溃理论),还是在一个充满着各种各样不同的作用力及内部机制的沸腾的大深坑里进行的呢?这些问题现在还无人能够作答。

  但人们正在做着各种各样的努力。在过去的几年里,计算机性能的提高、数值计算技术的发展,以及数以百万计的恒星观察记录,使我们在推测恒星形成初始机制方面、恒星形成的物理、化学环境方面以及在宇宙的历史中恒星群的位置及出现时间方面都有了较大的进展。

  在最简单的假想环境中,拥有一些发光物质的恒星是独立于其他恒星,而独自形成。托马逊回顾了这种类型恒星形成过程中最初的两个阶段:首先是在一个主要由氢分子组成的星云中形成一个有边界的引力核,然后该引力核在自身引力作用下发生崩溃。在这一部分里,最有意思的一点是,如何从引力核的崩溃过程中克服气体紊流及磁场作用的影响,形成一个原恒星。最近罗伯特及其他一些科学家所做的一些模拟试验表明,在分子星云崩溃过程中所形成的宇宙中,第一个发光物体很可能是一颗非常庞大的恒星。

  另一位科学家则回顾了以恒星群为方式的形成理论。许多专家认为恒星是成群形成的,而不是单个独立形成的。若这种情况成立的话,当讨论一颗恒星的形成环境时,我们就要考虑到来自其周围其他星体物质的气流以及冲击波的影响。 他认为最早的恒星就是在相当紊乱的、相互影响的环境中形成的。最近,天文学家们在合成初始质量方程中的数据时,对该理论进行了一些简化处理。他们认为特定质量恒星的空间分布是在一个已经给定的空间范围之内。

  卡特回顾了各种质量范围内的恒星的初始质量方程。他分析的结果是:不管恒星的年龄及周围环境如何,它们都有着类似的初始质量方程。这种一致性真是出乎意料,它表明所有的恒星有着类似的形成机制。

  恒星的形成是天体物理学领域中最为基础性的问题,因为它是解答其他许多问题所必须知道的常识。这些问题包括恒星系的形成、太阳系的形成等问题。这一物理过程涉及到了某一包含有不规则磁场的部分离子化媒介的紊乱行为。当前核心的争论主要围绕着紊乱开始消退的时间,以及磁场和紊流所起到的作用的重要程度。诸如毫米波照相机等新的技术进步使我们可以观察星体的温度及密度分布,并可以让我们统计分析在自身引力作用下正在崩溃及处于崩溃边缘的天体的寿命。同时,计算机计算能力的提高,使得我们可以使用包含磁场及紊流效应的更为复杂的模型。但现在任何一种模型都无法再现所有的观察结果。

  关于宇宙中第一颗恒星的形成,天文学家们从一套完整的自协调三维流体力学模拟方程中得到了一个结果。在当前流行的形成结构模型中,大多数假想是这个样子的:最初是暗物质为主,而伴随着由于初始低密度物质紊流而产生的不稳定状态的出现,形成了星系形成前的天体物质。由于这些天体物质是分级聚集而成,最初的气体便通过氢分子链的振动而冷却,并逐渐沉入暗物质势阱的中心。我们对分子星云的形成进行了一次高红移模拟,当高密度的低温核心气体开始由于引力而自凝聚时,拥有100M(M为太阳的质量)左右大小的高密度核心能够迅速收缩。在粒子数密度高于10M每立方厘米的地方,1M的原恒星核就能够通过三体氢分子的形成而完全分子化。与以往分析预计的结果不同的是,这一过程并不产生新的分裂,而是只形成一个恒星。而且,当光学深度效应很明显时,计算就终止了,使得完全形成后的恒星的质量成为未知数。而在计算终止时,原恒星正处于物质增加非常迅速的时期(约每年102 M )。来自该恒星的辐射反馈不仅会终止该恒星的成长,而且还会抑止处于同一形成环境中其他恒星的形成。我们得到的结论是,在一个星系形成前的晕轮中最多只会形成一个庞大(质量远大于1M)的、无金属的恒星,这与最近对贫金属晕轮恒星的质量观测结果相符。

  我们的宇宙中最早的恒星是怎样形成以及什么时候形成的呢?最近的一些计算研究正在为这一问题给出答案。罗伯特报告,汇报了在初始星云核崩溃过程中恒星形成的三维计算分析结果。第一颗恒星形成于大爆炸后约100万年;每千个原子中只有一个有幸参与到第一代的恒星中去。但若要计算后来发生的复杂的星际气体动力状态及反馈的话,将不得不建立更为复杂的系统,同时要面临更大的挑战。

  恒星在任何类型及处于任何演化阶段的星系中都是普遍存在的。同时,我们还发现恒星在非常广泛的环境中形成,从接近巨型的分子星云到存在于发生了星际爆发及处于聚合状态的星系中的超巨型分子星云。在我们的星系及其他的星系中那些有代表性的恒星都是作为恒星群中的一员而形成的,这就表明恒星的形成是发生在恒星群内部的事情,而不是一个个孤立的现象。对于恒星成群形成理论最大的挑战是如何理解恒星中质量的均匀分布。

  在某一特定的太空空间中,某一恒星形成过程中的质量分布叫做IMF。对于质量很低的褐色小星到巨大的恒星,天文学家们都估计了它们的IMF。他们还对各种不同环境中恒星的IMF进行了比较,发现它们的IMF出乎意料地一致。这里所谈到的环境包括:在现在的一些小分子星云中处于形成状态的恒星,在大星云中处于形成状态的高密度的恒星群,及远古时为暗物质控制的贫金属外来恒星群。IMF一致性的结果给现在恒星形成理论带来了挑战,因为根据现在的恒星形成理论,IMF应针对不同的恒星形成条件而发生变化。

 

 
 
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