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第三节 恒星的一生(2/16)

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宇宙大爆炸后,稀薄物质在空间大尺度上看起来是均匀分布的,却在小尺度上的某个特定区域内并不均匀,存在一定高低密度的差异,尽管这个差异可能只有万分之三那么小。它也会随着漫长的时间而发生变化,使物质的密度更加不均匀,低密度的气体缓慢聚拢到高密度气体周围,形成一个较大的气体团块,其中那些近乎球形的球状体,还没有发展出内部核反应的恒星婴儿,被叫做原恒星。

图:原恒星电脑模拟图示意

原恒星非常重要,是制造重元素和我们获取宇宙信息的主要来源,它们的形成以及最终的爆炸为接踵而来的星球产生提供了生命种子。而原恒星的形成机制更是天文领域中最为基础性的问题。幸运的是,科学家已经做好了这一阶段的许多研究工作,让我们不用再一头雾水的去到处寻找答案。

说起来似乎很简单,只要一大团气体能够纠集到一起,然后象个吸尘器一样转啊转的,把周围物质中能吸的气体全都吸过来,吸不动的大颗粒自己形成地球这样的行星,随着物质越吸越多,核心温度升高到开始氢聚变反应,恒星也就随之发光发热的、快快乐乐的诞生了。

是这样简单吗?

我们可以明确的说,原恒星形成的实际过程并非如此简单。

没有引力,绝不会形成原恒星,而引力如果不受节制,它将会摧毁原恒星让它无法继续生长。所以,原恒星在一开始,首先就需要刚刚好的引力,让物质之间能够发生很多次恰到好处的碰撞,不至于让原恒星分崩离析。

一团密度均匀、温度相同而又相对静止的气团,是宇宙物质大循环中的一部分,在这个循环中,气体和尘埃会从星云变为恒星,再从恒星变回原状。它主要由氢和氦组成,氦占据四分之一,其他元素仅占百分之几。这些物质中有的是宇宙大爆炸最初三分钟所产生的、没有受到过污染的原生物质,有的则是恒星死亡时的物质抛射,还有的是恒星爆炸后遗留下的残骸。它们彼此之间的引力相互抵消,重力和动能平衡,但是周围任何干扰都能扰乱它的平衡状态造成收缩,可能是超新星的震波,可能是星系内旋臂的密度波,也可能是与其他云气的接近或碰撞。但无论什么干扰,只要一点点就足以在星云中造成重力大于热动能的变化,使有的地方密度高,有的地方密度低。但同时我们知道,高密度气体按照物理法则它必须往低密度的地方流动,所以,高密度气体的引力如果能够战胜这种向低密度区域流动的压力,那么就能把物质收缩成一颗原恒星。

高密度气体的引力又是如何战胜使星云聚拢成原恒星呢?

要知道它一开始是抵抗不住的,节节败退,直到中央塌缩成一个致密核心,温度增高产生了自转,让后续物质无法直接落到核心,而是在核心周围形成一个致密的盘状结构,盘状结构通过一系列复杂的过程,将多余的角动量向外传递,使中心质量继续增加(在此期间,为了释放角动量,系统还通过目前尚不可知的机制向两极方向抛射物质,形成质量外流)。

巨大的引力使中心温度急剧上升,从而点燃了中心区域的氘核,再继续积累热量到产生氢聚变的温度,当这一阶段结束时,我们就可以在宇宙空间看见一颗冉冉升起的新星。

可是这个气体球如果越来越大,它的引力会把所有物质都紧紧的挤压在核心,一直坍塌下去,所以,肯定还有种其他力量阻止了引力无节制的收缩。

我们来看看这是怎么回事儿。

首先,要想形成一颗恒星,它的质量范围有一个上下限,目前被认为是在0.1-100个太阳质量之间。证据来自于红外天文卫星发现的许多原恒星情况,还有毫米波射电望远镜在原恒星周围发现的物质喷流,这些证据都表明:更小的质量不足以触发原恒星内部的核反应,更大的质量则会由于产生的辐射压力太大而让原恒星瓦解。

其次,为了让气体核心收缩变小的致密过程顺利进行,必须在一开始压缩快的同时让气体云有所冷却,以免核心物质急剧升温而导致膨胀喷发出物质。科学家们发现,星云中总是存在着各种湍流运动,这些湍流运动是由电离区的膨胀以及辐射压所引起的,坏处是容易冲散气体核心的收缩过程,好处是让核心在快速压缩中形成强力冲击波,把微粒、分子氢、高温水蒸汽辐射出去让核心降温。

第三,形成恒星的星云气体必须在收缩过程中把能量和大部分磁场(这是个暂时无法解决的谜题)辐射掉,这样才能使原恒星的总能量不断减少,从而使它的结构越来越致密。

为了解决这三个问题,科学家终于发现了原恒星形成过程中至关重要的因素,我们之前提到过的盘状结构——吸积盘。

图:原恒星通过吸积盘的形成过程电脑模拟图示意

吸积,顾名思义就是吸收并积累,它让物质不能从四面八方砸向中心,而是先形成一个盘状之后,再缓缓滑向中央,这个螺旋渐进的过程叫做吸积,也只有这样,才不会把中心物质给砸的四面开花。

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