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质量是太阳质量的几十倍的星族Ⅲ恒星的生命周期的关键特征，是在其生命结束时，并不会完全毁灭。虽然它们也像Ⅱ型超新星那样爆炸，而且其含有丰富的碳和氮的外层也会被喷射到宇宙空间，但爆发却不足以破坏恒星的铁核。相反，其核心富含铁及其他重金属元素的物质，会收缩回到自身，形成相当于3至10个太阳质量的残余。这超过了中子星的稳定上限，因此该残余一定是一个黑洞。最重要的是，这不仅是一个理论上和通过计算机模拟恒星年龄的问题。我们已经发现一个已知类别的Ⅱ型超新星，即所谓的“暗超新星”，天文学家观测到它们的行为与计算机模拟预测的结果匹配得很好。
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这使得该模型具有双重的吸引力。它除了能确切预测出星际介质的比例，可以解释极度缺乏金属的恒星的元素丰度模式，还解释了第一批黑洞的产生，而且正如我们已经了解到的，黑洞本身就是一种重要的天体，随着宇宙膨胀，它可以刺激恒星形成集团。在宇宙初期，将有大量的这类黑洞，它们相互合并成长，成为现在我们观测到的星系中心的超大天体。
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这样，我们就可以追查所有化学元素的来源，一直上溯到重组之后不久第一代恒星的形成过程。恒星形成的历史本已写在恒星的物质构成中，其中最古老的恒星所含的重元素最少，而最年轻的恒星则含有最丰富的混合元素。这个故事的开端，是产生自宇宙大爆炸的氢和氦混合在一起，加上一点点氘和锂。接下来的几百万年中，起主导作用的主要是质量相当于几十个太阳的恒星，而且它们的寿命不到100万年。它们为下一代的恒星提供原料，而且其中最小的次代恒星一直生存到今天，成为极端缺乏金属元素的恒星。但是，更大的第二代恒星，质量是太阳的8到10倍，寿命只有几千万年，在大爆炸发生后3千万至1亿年间占主导地位，它们积累起了重元素，例如钡和铕等，并在生命周期结束时，通过超新星爆发将它们喷射到星际空间。这一代的恒星所提供的浓缩的材料，使得质量只有太阳3至7倍的恒星得以形成，而且正是这些恒星开始在整个空间制造并散播今天的太阳及同一代恒星上所具有的重元素混合物。
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由于较小的恒星寿命更长，这些恒星占主导地位的时代大约从宇宙大爆炸之后的1亿年一直延续到10亿年。正是由于在这一时期星际物质进一步变得丰富，才使得后来将铁等物质散播到整个空间的恒星得以形成。但在宇宙大爆炸之后30或40亿年时，即大约100亿年前，像银河系这样的星系已经存在，出现了两类明显不同的恒星，而且在银河系的光盘中，恒星的形成过程不断展现，与今天的情形类似。随着时间的推移，星际物质和后世的恒星中的重元素越来越丰富。但这一进程一直以一种本质上相同的方式（一种准稳态）在持续。恰恰是在这种背景下，我们可以看看，在银河系到了目前年龄的一半的时候，太阳及其家族内的行星——即太阳系——是如何形成的。
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宇宙传记 第八章 太阳系从何而来？
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古人认为，恒星是永恒不变的。从现代人的角度看，即使你知道宇宙有一个开端，也可能会猜测，所有的恒星都是宇宙诞生后不久就出现了，而且一直以来就在那里。但是，正如我们已解释过的那样，我们已经知道，自从大爆炸以来，已经有过好几代恒星了。我们还知道，直到今天，在银河系和其他星系中，恒星仍在诞生，而且通过研究恒星形成的地点，我们可以了解太阳及其家族成员是如何形成的。技术不断改进，新的观测手段也不断出现，使天文学家能够探测到星球形成的现场，即星云尘埃和气体的内部。在过去几年里，这些研究极大地改变了我们对于星球形成的看法。
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正是太空中年轻的恒星和星云气体和尘埃之间的联系，第一次为我们提供了恒星和行星来源的线索。恒星的寿命取决于它燃烧燃料的速度（也就意味着它的亮度有多高）以及它有多少燃料可供燃烧。质量更大的恒星有更多的燃料来维持燃烧，但是为了对抗自身的重力，它必须燃烧得更快。因此，最短命的恒星都是既大又亮。由于这样的恒星寿命如此短暂，当我们看到它们时，我们就能知道，它们都距离自己的诞生地不远——而且，在我们的星系中，最大、最亮的恒星都与星云尘埃和气体紧挨着。其中距离我们最近的这种星际材料的大集合就位于明亮的猎户座。著名的猎户座星云仅仅是一个范围更大的星云气体和尘埃——以及其他有趣的天文对象，有时被称作“气体尘埃综合体”——的一部分。哈勃太空望远镜拍摄到的一些最为著名的照片显示在猎户座综合体的星云中，镶嵌着年轻的恒星，星云自身不断被来自恒星的辐射吞噬。
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天文学家现在之所以相信他们至少已经大体理解了恒星形成的进程，部分原因在于，在像猎户座这样的恒星形成区域，存在数以千计的年轻恒星供他们研究。其中最受研究者关注的是猎户座星云集群，它距离我们约450秒差距（约1500光年）。这意味着现在我们看到的从这个集群发出的光，在穆罕默德开始在地球上传教时起就已经开始发出了。这个集群的中央，恒星最密集的区域的半径是五分之一秒差距，其密度相当于每立方秒差距有两万颗恒星；这一区域周围的更大的区域内，恒星密度要低得多，在半径为两个秒差距的范围内，至少包括2200颗恒星。
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现在我们也有可能衡量出一些恒星的年龄，而且准确性尚可，而不再是仅仅说“它们很亮，因此必然年轻”。虽然恒星内部的核聚变过程会稳步积累起更多的复杂的原子核，且因此一般情况下，新形成的恒星比很久以前形成的恒星含有更丰富的比氦更重的混合物质，但是这一规则有一个例外。元素周期表上的第3种元素锂，不是在恒星内部制造出来的，今天的宇宙中所有的锂都是在大爆炸核合成过程中形成并留下来的。更糟糕的是（就锂而言），实际上恒星内部的一些核相互作用会“燃烧”锂。因此，每一代的恒星所具有的锂都比前一代更少。这意味着含有锂最少的恒星是那些刚刚形成的。这种判定恒星年龄的方式惊人的准确；在21世纪早期，天文学家利用这一技术发现，在猎户座星云中有超过21颗恒星，其质量相当于我们的太阳，年龄都小于1000万岁，其中最年轻的形成仅仅有100万年。这是最好的也是最直接的证据，表明年轻的恒星确实是与银河系中的星云气体和尘埃存在联系；其中最年轻的恒星的年龄大约是100万年，这也符合被称为金牛座T型星这一类别的属性，这是通过比较观察年轻恒星的理论模型的属性推理出来的。
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从对许多这样的复合体的研究，我们可以得出一种自然的假设，即恒星产生自星云的中心，通过引力将物质吸引到一起形成。但是此后，星云分散开，其中部分原因是由于来自年轻的恒星的光以及其他辐射产生的压力。此后不久，最大最明亮的恒星很快熄灭了，但规模较小而长寿的恒星（像我们的太阳）留了下来，在银河系漫游，经历了几十亿年的时间，与其诞生地失去了所有联系。
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恒星形成的这个大纲近百年来已经为人所知，但其细节直到最近才开始清晰起来。事实上，宇宙中弥漫的星云与恒星起源之间存在关系，这简直再自然不过了。早在17世纪艾萨克·牛顿就曾写道：
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在我看来，如果太阳和行星的物质，以及宇宙中的所有物质，最终都均匀分布在整个空间，每个粒子和其他粒子都具有内在的引力，而粒子充斥的整个空间是有限的，那么，在这一空间外围的粒子将受到向内的引力，因此最终会坍塌到整个空间的中心，形成一个巨大的球形。但是，如果物质均匀分布在无限的空间中，那么它就永远无法聚集成一个单一的物体；但其中一些将聚集为某个大规模的物体，另一些
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则聚集成另外的物体，这样就形成无限多的巨大物体，在无限的空间中分散开来。这样，假如物质具有明确的性质，太阳和恒星就有可能形成。63
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引力确实可以将星际云气内的物质团块吸引到一起，形成新的恒星。但是，这一进程的效率一定很低。银河系已经存在了100多亿年，然而在其恒星之间，仍然存在星云气体和尘埃，而且至今还有一些造星过程在进行。为什么不是所有的物质在很久以前就都凝聚成了恒星？因为在牛顿设想的静态物质星云和银河系的动态物质之间，存在显著的差异。的确，静态的星云气体和尘埃会在自身引力的作用下聚集到一起，发生坍塌，至少会达到其内部具有足够的热量使自身保持平衡。但是，银河系中所有的物质，包括恒星本身以及形成恒星的物质，都是动态的。假如存在这样一种情况，地球距离太阳仍是现在这么远，但却是静止的，那么它会立即朝着太阳直线下坠；它之所以不会坠落到太阳上，是因为它处于轨道上，正在绕太阳运行。形成银河系的物质也处在轨道上，围绕着银河系的中心运转，星际云则慢慢围绕自己的中心旋转，此外还有其他随机的运动叠加在这种或多或少呈圆周状的运动中。宇宙空间还有“风”，就好像大气层中的风一样，可以使星云中的气体运动；而且星云中还存在磁场，排列星云，并防止它们坍塌。
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考虑到星云中发生的所有这一切，真正令人惊讶的是恒星竟然能得以形成。事实上，天文学家估计，在整个银河系中，每年只有比我们的太阳大几倍的（相当于几个太阳质量的）物质会转化为新的恒星。这大体相当于古老的恒星死亡的时候喷射回到空间中的物质的量。这种情况的其中一个含义是，有大量的恒星必须确实是在银河系形成过程中，在很短的时间内诞生的，那时银河系还远未达到目前的稳定状态。这些事件称作“星爆”，如今仍然存在于其他星系。不过我们不会进一步讨论这一问题，因为我们的太阳系并不是以这种方式形成的。太阳系是在仅仅50亿年前形成的，当时银河系已经达到其目前的状态有几十亿年了。
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星云以及星云内气体的随机运动可以借助多普勒效应，通过光谱进行研究。这些研究还可以揭示星云内状况的其他细节，比如其密度和温度等。在恒星之间的那些“虚空”的空间，在每15立方厘米空间内平均有大约一个原子（当然，其中大多数的原子都是氢原子）。在普通的星云中，同一云团中有大约一万个原子，而星云本身的范围可能扩展到三四十光年，64这一距离大约相当于太阳到距其最近的恒星的距离的四倍。虽然含有恒星的星云的温度可能会热到10000℃，但是对于产生崩塌并形成新恒星的星云来说，其最重要的一个特点，是星云必须非常冷，只比绝对零度高不到10度（低于10K，或低于零下263℃）。
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银河系中大多数的星云都不处于收缩形成恒星的过程中。它们或多或少处于平衡状态，主要是受磁场和旋转的支撑。如果质量与太阳相当的恒星，是直接通过缓慢旋转的气体云收缩形成的，这块星云含有相同的物质，但分布的密度与一般的星际云无异，那么随着它缩小，其自旋速度会越来越快，就像一个旋转的滑冰选手收起胳膊来在冰面上旋转速度也会加快一样。当其体积收缩到太阳的大小时候，靠近其赤道地区的自转速度将达到光速的约百分之八十，这显然是荒谬的。因此，恒星形成过程中的关键一步，是去除这种多余的旋转能（或称作“角动量”）。达到此目的最好的方式，是在开始的时候拥有更多的物质，并把其中一些抛到宇宙空间，随着其中心区域坍缩，这些被抛掉的物质会带走角动量。我们已经在恒星形成区域观测到了这种过程，但对于多余材料如何被抛洒出去的详细情况尚不明确。另一种解决问题的办法是，假设有两个（或更多）恒星从同一个星云中形成，这样，星云大部分的角动量会转化为恒星各自绕对方进行轨道运动的动能。值得注意的是，在所有的恒星中，大约三分之二的具有双恒星系统或更复杂的系统。太阳系中，则是绕太阳运转的行星带走了太阳系形成时星云的角动量，只不过规模要小得多。没有行星的恒星，其自转速度可能比有行星的恒星快。
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在我还是个学生的时候，老师告诉我们说恒星是通过一个相对稳定的“准静态”过程，由星云坍缩、分裂形成的。拥有1000个太阳那么多的物质的星云，可能会产生约1000颗恒星。起初，它会慢慢收缩，直到变得不稳定，此时，不同区域的星云会在自身重力作用下坍缩，然后星云会形成碎片，更小的碎片会继续坍缩，这样的过程会重复几次。这一坍缩和分裂的过程将比较平稳地继续下去，与此同时，引力能转换成热，直到碎片足够热，成为发光的原恒星。根据这种看法，所有的恒星都是与其他恒星一起形成的，但是一旦形成之后，它们各自按照自己的轨道围绕银河系运转。这样，经过了几亿年的时间，它们已经彼此相距甚远，没有办法追溯它们的共同起源。
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但是现在我们认为，恒星的形成过程是一个更加充满暴力的混乱过程。而且我们确信，恒星的确是以这种方式形成的，而不是由星云顺顺当当，按部就班坍缩形成的。我们的想法之所以改变，是因为我们有了更好的观测结果，而且还有了更好的理论模型来描述发生在星云中的事件。由于星云含有很多的灰尘，因此其核心只有在红外光谱部分才是可见的，因为红外光可以穿透尘埃。65但是大部分红外辐射却被地球大气层中的水蒸气阻挡住了，所以长期以来，人们一直未能观测到恒星形成区域中心的情况。后来，人们采用卫星携带的红外望远镜，在大气层以上进行观测，或是把红外望远镜建在高山上，超越大气层的大部分（当然基本上也在所有的水蒸气之上），才获得了更好的观测结果。例如，这些新的观测结果中，一些最重要的就来自夏威夷莫纳克亚山天文台的詹姆斯·克拉克·麦克斯韦望远镜（JCMT）。该望远镜所连接的设备中，有一个关键的仪器，就是“亚毫米通用辐射热测量计阵列”，简称SCUBA。与此同时，到了20世纪90年代中期，随着计算机技术的进步，也产生了新的观测结果。使用计算能力更强，速度更快的计算机，我们有可能模拟星云内部所发生的事件。同样，计算机技术的进步，也已彻底改变了我们对于宇宙大爆炸之后不断膨胀的宇宙的结构演进的这方面的知识。
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其他的一些观测结果最初产生自20世纪中叶，但随着新技术的应用得到了改善，也为我们深入了解气体尘埃混合物的性质以及它们如何能够产生恒星，提供了新的视角。这里我们就发现，这种系统中不仅包含原子，而且还包含分子。这些分子是通过无线电波的光谱发现的，最初发现的包括甲烷（CH）、氰自由基（CN）和羟自由基（OH）。此外还包括更复杂的分子，如H2HCO，CH3HCO和CH3CN。分子氢（H2）也曾被发现。66星云中存在有这些分子，揭示出星云中状态的诸多信息。例如，在虚空中相互碰撞的氢原子，只能相互弹开。只有在一粒尘埃的表面上相互作用的时候，它们才能设法结合在一起。因此，星云中分子氢的密度告诉我们，在星云中，每立方厘米必须至少有100个像香烟烟雾的粒子那样大小的尘埃颗粒。尘埃颗粒还有另一种功能——如果没有它们，那么从附近的恒星发出的紫外线会穿透星云，打破氢分子。但是尘埃颗粒却能很好地阻挡紫外线，比如在猎户座星云这样密集的星云中，每立方厘米至少有多达1000万个氢分子。
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受到银河系旋转圆盘中磁场等因素的影响，银河系中的气体分子都集中在大型的复合体中。大型复合体的范围可以达到1000秒差距，并含有相当于1000万个太阳质量的物质。但是单个的巨型分子云的直径不超过100秒差距，质量相当于100万个太阳的质量（其平均直径约20秒差距，平均质量约为35万个太阳质量）。67这种材料也可以因超新星的爆炸而被席卷到星云中，因为超新星爆炸会释放出冲击波，波及星际介质；由于从陨石样本中发现一些罕见的同位素富集，这直接证明了形成太阳系的星云在太阳诞生前100万年，就曾遭到这样的冲击波的冲击。这样的星云中物质的分布，和在仿真计算中得到的早期宇宙的结构中的物质分布非常相似，充满了片状或丝状的气体，以及集结在一起的密度更高的团块物质，在里面丝状气团会相撞。气体沿着丝状体流动，并在某些点累积，特别是在多个丝状体交叉的地方。这种模式就像项链上的珠子，会在星云中有更小规模的重复，所以，除了其规模不同外，气体的模式在“母”星云和“子”星云中是一样的。这种层次结构基本上是一种分形结构。虽然我们可以对其进行详细的研究，但是星云的外观具有不规则的丝状形状，看起来就像是被风吹形成的——就像乘飞机时近距离观看大气中的云层一样——这表明它们远远没有达到平衡状态。
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所有这一切都符合分子云内所发生的一种较新的理论模型。这种模式是由气团中的湍流效应主导的。现在人们认为，支撑星云使其不至迅速坍缩的关键因素是湍流，而不是磁场。此外，以超音速运动的气体流碰撞（这意味着其速度在这种情况下超过约200米每秒）会产生冲击波，使得星云的某些部分开始坍缩形成恒星。在决定星云的结构以及它们如何演变等方面，重力和湍流同样重要。而只有当重力在某一区域占主导地位时恒星才会形成。此外，根据银河系的时间尺度判断，同样明确的一点是，星云本身是不稳定且短暂的现象。但是，是什么原因导致了这种高速湍流还是一个谜。所以，尽管我们知道存在湍流，但是谈到对它的了解，以及恒星形成的细节，我们又回到了我们“以为”自己知道的领域。
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有一件我们的确了解的事情是，只有在星云非常冷的情况下，它们才会坍缩。防止外部的紫外线辐射破坏氢分子的尘埃也阻挡了能量达到星云的内部，而星云中的分子，特别是一氧化碳（CO），向外发出红外辐射能量使星云冷却。68正是因为它们冷却到低于10K，才使得质量规模像太阳的星云可以发生坍缩。如果它们的温度更高一些，那么其热能产生的向外的压力将足以防止其坍缩。
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