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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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虽然在不同的距离尺度和不同的时间尺度上，巨分子云内部有许多有趣的事情发生，我们特别感兴趣的还是像太阳这样的恒星（以及像地球一样的行星）从何而来，因此我们只是仔细地探讨一下这个相对规模较小的模型中发生的事情。最重要的一点，是恒星不是孤立形成的。这一点不论从对伴有这种星云的恒星的观测，还是从计算机模拟上，都得到了证明。迄今为止，大多数的恒星都是与至少一个或两个同伴共同形成的，而且有可能所有的恒星都是以这种方式形成的。因此，像太阳这样孤立的恒星，也极有可能是在其形成后的早期阶段，从双恒星或多星系统中被抛出来的。这其实是一种很简单而且自然的过程，涉及的因素不过是引力以及轨道力学等，这些在三个半世纪前已经由艾萨克·牛顿研究明白了。如果三颗质量大致相同的恒星彼此围绕对方在轨道上运行，几乎可以肯定的是，只要一有机会，其中的一颗恒星就会被抛出，飞入太空，同时带走一定的角动量，而另外两个恒星则进入一个更加紧密的绕对方运行的轨道。如果最初的恒星超过三颗，同样的事情也可能发生。但是当只剩下两颗恒星时，它们会受到引力的影响，变成稳定的双恒星系统。
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我们现在已经弄清楚，在巨分子云形成和恒星形成之间没有明显的间歇。我们之所以这么认为，部分是由于我们对巨分子云的动力性质的新的理解，部分则是由于我们通过观测发现已知的此类星云很少有不包含恒星形成区域的。星云聚集，恒星形成，炽热的年轻恒星发出的辐射会将星云吹开，在一千万年的时间内，整个过程就会结束。星云形成，产生恒星并消散的过程所持续的时间，相当于声波从星云的一边传播到另一边的时间——天文学家称之为“穿越时间”（crossingtime）。
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不过，大家请记住，气体和尘埃构成的星云坍缩形成恒星的另一个原因，是因为它受到了同样的来自超新星的冲击波或年轻的恒星风的压缩。这些冲击波或星际风会穿越星际介质，驱散恒星诞生后不久位于其附近的一些物质。有趣的是，将整个星系作为一个整体看待，这似乎是一种自我调节过程，它可以或多或少地在一个稳定状态，在数十亿年的时间里起作用。如果大量的恒星都在一代之中形成，气体和尘埃会被吹走并扩散开，这就使以后难以形成新的恒星。如果只有少数几颗恒星形成，气体不会消散得很严重，恒星也就易于在下一代形成。所以，如果该过程走向极端，不论是哪个方向，它都倾向于在下一代回到长期的平均水平。
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有一个并不令人惊讶的现象，是最年轻的恒星往往存在于分子云密度最高的区域；但这里仍然有一个悬而未决的问题：这种聚合结构（往往是大小不同的团块一级一级相套）到底在多大程度上是由于密度足够大后引力的压力造成的，以及在多大程度上是由冲击波和湍流造成的，从而将局部地区的密度挤压到比其周围大100多倍。不过，通过计算表明，湍流压缩可能会导致产生“前恒星核心”，即密度高于平均密度的处于引力坍缩边缘的区域。经计算，这种核心的内部温度约为10K，直径约0.06秒差距（约五分之一光年），质量约为太阳的70%。我们观测到分子云中的核心与这些性质非常相似，这使湍流压缩成为形成前恒星物体的最优的解释。接下来就该引力起主导作用了——它受到磁场，以及摆脱角动量的需要的影响。
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但是，尽管在最密集的团块中，大约一半的质量会转化为恒星，但是在整个星云中，在星云消散之前，很可能只有不超过百分之几的材料会变成恒星。我们讨论了单个恒星形成的细节，这时也不能忘了，总体而言，恒星产生的过程并不是一个非常有效的过程。
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不过，前恒星的核心的确能够形成。我们知道它们存在，因为我们可以看到它们，而且我们可以利用它们作为出发点，详细解释类似太阳的恒星如何形成。对于接下来发生了什么，我们的理解几乎完全依赖于计算机模拟，而且不同的模型（例如，磁场影响不同）会导致不同的预测，对于坍缩的细节以及发生的速度所作的描述都会不同。但是，所有的模拟都会得出同样耐人寻味的预测——在形成恒星的第一阶段，坍缩的星云中只有一小部分的质量会达到变成恒星所需的密度。恒星形成时，并不是质量相当于太阳的整个星云发生坍缩并最后变成像太阳这样的恒星。在星云的中心，一个质量只有太阳的千分之一的物体变得足够致密，也足够热，进入稳定状态，然后开始通过核聚变产生能量。然后，在更长的一段时间里，恒星的其余的质量通过增生过程获得，将周围的材料吸附到原恒星的表面。
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