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莫勰星
恒星就像一份顶级餐馆的佳肴,美妙的味道总是让人好奇,不知厨师到底加了哪些材料,才烹煮出让人流连的奇异香味.而面对天际那些遥远的大恒星,真想知道,万能的宇宙是用了什么妙法才造出这些璀璨的明珠,生生不息.
猎户座和大质量恒星
入秋后,猎户座再一次开启了它的旅程,进入到北部静谧的夜空.猎户座中的大质量恒星造就了冬季的魅力星空：红色的准超新星参宿四、蓝色巨星参宿五、参宿七的三星系统中的主角蓝白色超巨星,以及气势如虹的超巨星参宿六.在这些最容易辨认的星球周围,围绕着猎户座大星云,许多大质量恒星（有些质量甚至是太阳的8倍以上）都在这里诞生.
然而,我们常常被我们所见的星空所欺骗,天上星星的实际大小和我们所见的可不一样.事实上,大质量恒星非常少,彼此之间相去甚远.这主要有两个原因.首先,大质量恒星的寿命都比较短.比如,像我们太阳这样的一颗恒星,其寿命大约为100亿年,而质量为太阳10倍的恒星,在数千万年的时间内就可以燃烧殆尽.这主要是由于质量越大的恒星,核聚变反应越剧烈,从而寿命也就越短.其次,相比小恒星,大质量的恒星也更难以形成.在恒星刚开始形成的时候,星际物质开始聚集,但它们都很容易破裂成碎片,不利于形成巨大的星胚.即使能够形成一个较大的团块,当它形成恒星之后,也会产生强风和辐射,吹散向团块降落的物质,阻止团块的生长.
然而,不论如何艰难,总有些恒星设法克服了那些自我毁灭的行为,壮大自己的规模.那么,它们是如何做到的呢？
理论学家的困惑
所有恒星的形成过程都始于充满了气体分子的茧状星云.这些星云可以延伸到30至300光年的范围.在这些星云中,每立方厘米就含有几百个尘埃微粒.这样的密度仍比在地球上制造出的真空更稀,但它可以阻挡住可见光和红外光.
物理学家们发现,这些星云中容易形成小质量的恒星.1902年,詹姆斯·捷恩斯提出了一种最简单的模型：星云的演变是两种力量角逐的结果,它内部的引力使它收缩,而热压力使它扩张,直到气团大致达到太阳的质量,引力才开始起主导作用,使气团开始向内坍缩.但一段时间之后,氢核开始聚变,气团又开始对抗坍缩——恒星形成了.
但是,当小质量恒星开始核聚变过程的时候,大质量恒星的燃料早就烧光了.比如,太阳形成大约需要5000万年,而一颗15倍太阳质量的恒星只要6万年就能“点着”.这些大质量恒星过早地开始燃烧,产生强大的光子流,也就是所谓的辐射压力,将流入的气体和尘埃推出去,使它们不能够继续生长.
既然如此,那些大质量恒星是如何出现在我们的宇宙中的呢？物理学家们设想,也许大质量恒星是由小质量恒星的碰撞与合并产生的.这一“合并假说”要求小质量恒星必须从诞生的时候就非常接近.尽管这种情况非常罕见,但也并非没有可能,当年轻的星云核心中有足够高的物质密度,或者两颗恒星所处的轨道恰好很接近时,就可以出现这种情况,比如接近重合的双子恒星鹿豹座MY.
鹿豹座MY在几十年来一直被认为是单恒星,这是因为从地球上看过去,这个双子恒星的侧面处于双星并列的状态,两颗恒星中的任意一颗会定期遮住另外一颗恒星的光芒.但实际上,它们是两颗正处于融合过程中的恒星,质量分别是太阳的32倍和38倍,这两者距离地球约1.3万光年,位于鹿豹星座中.天文学家相信,这两颗恒星在形成时轨道就如此之近,它们在未来的200万年之内必将融合成一颗拥有60倍太阳质量的巨星.
迄今为止,鹿豹座MY是首个已知的、正从双星系统合并成单一特大质量恒星的例子,而这种情况是非常罕见的,或许只能解释质量最大的那些恒星的形成.
那么,稍小些的那些大质量恒星又是如何形成的呢？
有序塌缩与无序吸积
由于小质量恒星的合并假说不能完全解释所有大质量恒星的形成,所以物理学家猜测,原恒星在恒星塌缩之前,或者恒星塌缩的过程中,吸收了物质来增加自己的质量.具体有两种假说.
一种假说被天文学家们称为“单核塌缩”,它相当于小质量恒星的形成过程的放大版本.与小质量恒星类似,大质量恒星诞生时也相应的有一个大的吸积盘.但是,这个吸积盘的密度非常高,以致于密集的物质能够遮蔽核心的光子流（也就是遮蔽了辐射压力）,从而可以保证核心能够继续吸积物质,最终形成大质量恒星.另外,吸积盘上会冲出一些气体激流时,这为恒星的光子提供了一些逃跑路线.如此一来,恒星开始发光时,吸积盘仍可以存在,而恒星也可以继续长大.不过,要形成大的吸积盘,需要一些特别的条件,例如必须存在湍流和强磁场.
另一种情况被天文学家们称为“竞争吸积”,相比于“单核塌缩”,“竞争吸积”的过程则显得更加混乱无序.在恒星诞生的初期,原始星云分成了许多“种子”,也就是许多相对独立的云气团.这些云气团不仅从自身的周围,还会从整个星云中吸取物质.大多数种子会形成低质量恒星,但是更大的种子最终会吸积更多物质,因为更大的质量给它们带来了更大的引力.但是,还有一项更重要的竞争力,那就是位置：如果种子处在星云中气体浓密的位置,那么它们长起来的速度肯定要超过来自气体贫瘠区域的种子.“竞争吸积”很自然地解释了为什么大质量恒星往往容易在星团中心出现,而不是独立存在,因为在星团的中心蓄积着高密度的气体源.
“竞争吸积”则不会像“单核塌缩”那样按部就班、有条有理地进行,气体从各个方向流入“种子区域”.另外,如果吸积盘形成的话,它将永远不会成长到特别大,因为它会被周围不断生成的恒星的吸积.另外,混乱的吸积流可能永远不会变得足够不透明来阻挡辐射压力.
单核塌缩形成大恒星
可以支持“单核塌缩”的一个论据是,正在形成过程中的恒星周围存在着巨大的吸积盘.即使吸积盘自身不能被看到,天文学家们还是能够寻找从吸积盘中喷出的喷发物,它们在无线电段和红外波段照亮了周围的气体.天文学家们已经发现了许多这样的证据.比如,离我们最近的大质量原恒星,猎户座Source I,在其吸积盘处流出了X形的风流,另外,天文学家们也从其他超过12个大质量的原恒星处发现了类似的现象.
智利天文学家安德烈·古斯曼和他的同事们使用位于智利的ALMA（阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜）更细致地观察了另一颗原恒星——G345.他们不仅发现了狭窄的喷射物,还在该原恒星周围发现了一个巨大的盘状结构.这一盘状结构跨度大约是3000个天文单位（一个天文单位即指地球和太阳之间的距离）,也就是说,这比通常的小质量原恒星的原行星盘还要大10倍.那里喷发的物质速度很快,且非常狭窄,这表示其内部深处隐藏着一个大的原行星盘.
所有这些都表明,“单核塌缩”在解释大恒星诞生的方面看起来像是占了上风,但这场辩论并没有结束.“单核塌缩”能够解释那些15到20倍太阳质量的恒星的形成,但是不能解释那些最大的大质量恒星.或许,这两种理论各有自己能够解释的范围.
塌缩的核心
引力在恒星形成中的作用似乎很明确：平衡热压力,接着引起塌缩.然而,美国天文学家艾丽莎·古德曼发现,在一个密集的、不断塌缩的云气中,它的核心部位却会相对平静许多,仅有极小的热运动,就好像“汹涌大海中的平静之岛”.
而且,气体并不是沿着球面塌缩.即便只有引力的情况下,气体也会形成丝状.如果你觉得奇怪,看看任何一个对宇宙的模拟好了,在引力的作用下,宇宙物质编织成了丝状的宇宙网（尽管在恒星形成过程中,湍流和磁场也对丝状的形成起了重要作用）,而在这些细丝内,出现了更加致密的恒星核.
现代仪器能够以高分辨率测量这些密集星云中的分子热运动.奥地利天文学家阿尔瓦罗·哈卡尔用射电望远镜对准了金牛座,非常细致地观测了其中名为L1495/B213的细丝.这些物质一起延展了30光年,还能像细丝一样被分成更细的纤维,每一根都跨越一光年左右,而这些圆柱状纤维中也只有一部分能够继续塌缩,形成直径大约为1/3光年的球形星核.
细丝、纤维以及恒星核心,这三者互相联系,都与恒星形成过程息息相关,但是对它们的研究需要不同分辨率的天文望远镜,如果我们想要一个三者连贯的完整图像,还需要更高的观测技术.
更多的烹饪细节
天文学家们还在解密云气塌缩的细节.很明显,在引力作用下,云气不仅能够塌缩成不太稳定的球状星核,也能塌缩成不同大小级别的细丝和纤维,而湍流和磁场则让情况更加复杂.
在星系中的气体和尘埃并不平静,它们相互搅动,形成湍流.想象一下,当你坐在飞机上时,突然飞机被一阵强大的风吹得摇摇晃晃,类似的,在星际空间中,这些湍流就好像风一样,将宇宙物质搅来搅去,影响着细丝的大小和密度.美国天文学家亚当·勒罗伊是研究湍流的专家,他认为：“在星系中存有大量湍流,宇宙的各处都无法绕开这些湍流.”勒罗伊研究了湍流在玉夫座星系（NGC253）和其他内有恒星形成星系中的作用,发现湍流是形成大质量恒星的一个必需条件,尤其在“单核塌缩”的模式中,湍流能够加速气体的吸积.另外,湍流能增加星云内部物质密度,为大质量恒星的形成创造合适的条件.
尽管湍流在恒星形成的早期发挥着重要作用,但是,当云气密集到开始形成丝状或者恒星核的时候,湍流的作用就减弱了,磁场开始发挥较多的影响.恒星的核心处存在着等离子运动,因此会产生磁场.磁场的存在会限制气流的运动,这对“竞争吸积”不利,所以星核磁场越强,越有可能形成“单核塌缩”.另外,天文学家们发现,一些异常庞大的气体团块中并没有足够高的温度来产生对抗引力塌缩的热压力,或许是磁场提供了支撑力的唯一来源,这可以作为强磁场有利于大质量恒星生长的间接证据.但是,遥远恒星核心的磁场是极难测量的,对于磁场具体的作用,天文学家们尚无定论.
大质量恒星在它们所创造的不利环境中繁盛成长,它们的存在与毕加索的名言交相辉映：“每种创造行为首先都要先破坏.”天文学家已经取得了巨大的进步,深入了解了大质量恒星的形成过程,但大质量恒星的烹饪普尚未完全揭开,好在我们的银河系从未停止过这种烹饪,还有很多机会给我们探索食谱奥秘.
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