第二节 恒星的诞生
恒星是由什么物质形成的？在星系的哪些场所最可能形成恒星？关于恒星形成的基本原理和主要观测事实又是什么？这些都是涉及恒星诞生的重要问题。要回答这些问题必须首先从没有恒星的空间（即星际空间）谈起。
星际物质
如本书第五章第二节所述，在很长的时期内，几乎所有的人都默认，容纳恒星的广阔空间是完全真空的。直到20世纪初，德国天文学家哈特曼（J．F．Hartmann）通过恒星光谱的观测和分析，才令人信服地证明：星际空间存在气体——钙。
尽管检测到星际空间存在钙，但并不能由此推断钙是最丰富的星际物质。用别的吸收线，例如著名的黄色钠线也同样可以证明星际气体的存在。值得注意的是，地面上能否检测到星际气体中某元素的吸收线，在很大程度上是取决于有关原子的能级排列情况而不是它们的丰度。因为在一般条件下，星际空间中几乎所有的原子都处在最低的未激发能级（基级）上，原子只有吸收一定频率（波长）的辐射，才能跃迁到更高的能级上。在这里钙（钠也一样）由基级跃迁到高一能级所吸收的辐射频率较低，正好落在可见光波段，因而可以在地面上检测到钙（和钠）的吸收线。然而，其它绝大多数元素由基级跃迁到高一能级所吸收的辐射频率均较高，一般落在远紫外波段。例如，宇宙中最丰富的元素——
自从利用人造卫星等现代先进设备进行大气外天文观测以来，人们对星际空间的认识才日益取得重大进展。业已发现在星际气体中，氢的丰富度比钙的丰富度竟然约大100万倍；特别是星际气体云的化学组成在一级近似的情形下竟然同太阳和恒星的化学组成大体相同。最主要的元素是氢和氦，而其它元素，如碳、氮、氧、镁、硅、硫、氩和锰等，则可以看作是“杂质”。进一步的细致观测表明，不同星际云的化学组成，也存在着程度不同的差别。总体上氢的含量最丰富，而其它重元素的含量则都显得不足。例如，在一些星际云中，镁、氯和锰相对于氢的丰富度要比太阳大气中同类元素的丰富度小4～10倍。
与太阳和恒星的外层所存在的热而密的大气不同，星际气体通常都处在冷而稀的状态。因此，除原子和离子之外，星际气体元素还能以分子状态存在。用光学天文方法早已在星际空间中探测到简单的双原子分子CH、CH+（“+”号表示电离了的分子）和CN，后来通过大气外天文观测还在紫外波段发现了氢分子（H2），并且表明氢分子和氢原子的丰富度之比差别很大，从十分之几到小于10-7。
特别值得指出的是，射电天文方法的使用更大大促进了星际物质的研究。继20世纪50年代发现中性氢原子（HI）的21cm谱线之后，60年代又通过射电谱线观测相继发现OH、H2O和NH3等许多分子，迄今已发现的分子多达上百种，其中有不少是星际有机分子。因为在星际空间乃至星周空间较低的温度条件下，物质也能以分子状态存在，而不同的分子由于能级（包括精细结构能级）跃迁所发出的辐射一般都落在厘米和毫米波段，所以只有用射电天文手段才好加以探测。
普遍说来，星际空间中的物质，除了包括星际气体以外，还包括以微小的固体颗粒状态出现的尘埃。有时也把星际气体和尘埃统称为星际介质。星际尘埃是通过星光红化现象的观测于1930年左右确认的。这种现象在银道带中表现得很明显，那里的星际介质（主要是尘埃）对蓝光和紫光吸收最强，而对红光则吸收较弱。这就像我们早晚看到的太阳主要呈红色那样，由于日光斜向穿过的地球大气层较厚，以致其中的蓝光和紫光被更多的大气尘埃吸收了。不过银道带中的吸收物质并不是均匀分布的，有的天区对星光的吸收更大，表明那里存在分散状态的凝聚物或星际云，例如猎户星座中著名的马头星云。
星际尘埃的线尺度一般小于1um （10-6m），主要由石墨、硅酸盐和“脏的小冰粒”构成。在一个给定的星际云中，尘埃粒子的长轴在一定程度上是平行排列的。这种排列是极弱的星际磁场作用的结果。该磁场的强度已通过测量大致确定为10-10～10-9T。[NextPage]
星际气体尘埃复合体是恒星的母体
200多年前，康德（I．Kant）（1755）和拉普拉斯（P．S．Laplace）（1796）就提出了著名的星云假说，认为像太阳这样的恒星是由散布在空中的弥漫气体尘埃物质演变而来的。支持这个假说的主要理论根据是：初始弥漫物质的空间分布不可能是绝对均匀的；在万有引力的作用下，小的密度涨落会加强，进而导致初始的物质瓦解成为若干凝聚物；若这种凝聚物的质量超过一定的限度，它将在引力作用下不断收缩，并最终会成为一颗恒星。可见这里的气体尘埃凝聚物或复合体就是产生恒星的母体。随着现代天文学的进步，上述星云说日益得到丰富、发展和完善，进而成为有大量观测事实支持的恒星形成理论。
气尘复合体是否可能在自身引力作用下收缩？可以先从理论上加以估计。假定有这样一个气尘复合体，它起初是一个球状星际云，并且具有固定的半径R、密度ρ和温度T，云的质量m
使其弥散到周围空间去的气体热运动压力作用。只有当这两种作用相互抵消时，云才能保持稳定状态。否则，当引力超过压力时，云会收缩；而当压力超过引力时，云会膨胀。从能量的观点看来，云的总能量包括云的全部粒子间相互作用的负引力能Wg和粒子的正热能Wt。总能量为零时，云才保持稳定；总能量为负时，云会收缩；总能量为正时，云则要膨胀。
对于正热能Wt和负引力能Wg，分别有：
其中A=8.3×107尔格·克分子-1·度-1，μ是分子量；
我们可以从两方面讨论以上关系。（1）当云的密度ρ和温度T一定时， Wt随半径R按R3的规律增加，而Wg则按R5增加，即Wg随R增加得更快。因此，存在这样的临界半径R1，当R＞R1时，由于引力超过压力，云将不可避免地收缩。这里的R1是Wt=|Wg|时的R。（2）当云的质量m和温度T一定时，则应当用（7．1）式和（7．2）式的第一个等式求得临界半径R1：
在这种情形下，云的质量和温度是固定的，Wt反而随R增加得更快，故当R＜R1时，云才会收缩。
根据（7．3）式所建立的引力收缩判据，假定云的质量m等于太阳的质量m⊙，云的温度T=10K，则R1=0.02秒差距，即只要云的半径R小于0.02秒差距，它就会收缩。然而，此时要求云的密度将是 2×10-18g/cm3，相当于每立方厘米约含106个气体粒子，一个普通的星际气体云很难具有这么高的密度。因此，像太阳这样的恒星很难孤立地从原始星际云中诞生。但是，如果云的质量是10m⊙，温度仍然是10K，则R1=0.2秒差距，此时只要求气体粒子平均数密度约为 104/cm3，云就会收缩。具有这样气体密度的云在观测上是不难找到的。这也说明大质量恒星比类太阳恒星更容易产生。由于大质量恒星所辐射的功率也大（即光度高），所以难以维持很长时间（例如100万年以上），这就可以把这类恒星的出现作为年轻恒星诞生不久的一个显著标志。对于恒星诞生前的更早期，则要考虑更大尺度的气尘复合体。例如 m约为103～104m⊙和T≈50K的复合体，其临界半径R1约为4～40秒差距；即只要该复合体的半径小于4～40秒差距，它就会收缩。
以上分析表明，星际气体云凝聚成恒星的过程一般应是分阶段进行的。首先是具有成千上万个太阳质量的大尺度气尘复合体的收缩，使复合体的平均密度增高。具有较高密度的复合体也不可能是绝对均匀的，其中密度更高的各个部位会通过引力作用把各自周围的物质吸积过来，进而使整个复合体相继瓦解成为若干质量较小但密度更大的凝聚物。这些凝聚物则可能先后收缩成为一个个恒星。这就定性地解释了恒星为什么总是趋向于以星团或星协的形式成批地诞生而难以单个地诞生。
要从观测上真正找到作为恒星母体的气尘复合体是很不容易的。现在看来，位于巨蛇座的鹰状星云 M16（即 NGC6611）就是比较典型的一个实际气尘复合体。M16中的星团是在1746年最先由法国的德席苏发现的，而环绕在该星团周围的星云则是20年后才由梅西叶（C．Messler）首先看到的。图7．1是现代地面大型天文望远镜拍摄的巨蛇座鹰状星云M16的照片。该星云是由其中的疏散星团所照亮的，亮度约为8等。星云的角直径约半度，距离我们约7000光年。可见该星云的尺度在60光年以上，还不到20秒差距。从大尺度星云收缩判据可知，只要星云具有数千倍以上的太阳质量，它就可以收缩，收缩后的星云密度要增大，而处在星云中心区域的密度会更大，在那里可能首先产生出一批大质量高光度的恒星。图7．1的中心区域有三个暗黑的形似大象鼻子的构造，可能正是这类恒星的巨大“孵化场”，M16疏散星团中的上百个成员可能就是从那里最先诞生出来的。
然而，由于地球大气的影响，地面上光学望远镜的灵敏度和分辨率都受到很大限制，很难从图7．1中看到恒星的具体诞生情况。现代哈勃空间望远镜的投入观测，则使天文学家在认识M16星云内部特征方面取得了突破性进展。1995年4月1日，哈勃空间望远镜拍下了M16星云中心部分的照片，如图7．2所示。图7．1照片的中心部分现在就相当于整个图7．2的照片。在图7．2中，形似“象鼻”的三个柱状物清晰可见。它们是暗黑的分子云处在亮的电离氢区（HⅡ）中的具体表现。其中最左边的一个柱状物含意更深：有的恒星刚从柱状物边界表面“脱胎”而出，该柱状物底部右侧白色小圆圈内的恒星正是这样的初生恒星；而从该柱状物顶部伸展出来的一个个手指状结构，实际上就是潜在的恒星形成区。图7．3是该柱状物上半部分的再放大照片，在这里一个个手指状结构脱离柱状物的趋势，宛如众多的雨滴要从积雨云中落下的情景。这些手指状结构形似气体球状体，直径一般比太阳系还大，其中不少可以称作“原恒星”，是正常恒星出现前的必经状态。[NextPage]
原恒星的演化
原恒星怎样一步步演化成为通常所见那样的恒星？这是不能通过直接监视的方法去观测到的。因为相对于恒星一生的寿命说来，从原恒星变为恒星的时间虽然不算长，但总比人类的文明时期长；对于初始质量等于太阳质量的原恒星，它的演化历程更长得无法同人类文明时期相比。因此，只好以可能观测到的原恒星的有关参量（质量、半径和温度等）为初条件，再根据相应的自然定律（万有引力定律、能量守恒和转化定律等）进行推演，从理论上指出该原恒星是怎样一步步演变为恒星的。这种推演是否可信，虽然不能用监视法取得直接证据，但可用类比法取得间接证据。例如在原恒星的引力收缩过程中，一部分引力能可能通过有关中间步骤（如对流作用）变为热能和辐射能；这些辐射能有时是以红外波的形式传送出来，有时则以射电波的形式传送出来。重要的是，这些形式的辐射能是否能从相应阶段的其它恒星形成区观测到。事实上已经观测到不少恒星形成区存在红外源和各种各样的射电源，它们都可作为恒星形成理论的旁证。
图7．4是从理论上导出的初始质量等于太阳质量的原恒星演化图。由图可见，原恒星的半径（以太阳半径为单位）在随时缩小，具体缩小程度还可用太阳系一些行星的轨道半径（水平虚线）来等效。该图不包括原太阳收缩到冥王星轨道以前的情况，可以设想那应是一个相当长的阶段，以便气体云从（105～106）/cm3的初始粒子密度开始收缩，一直收缩到冥王星轨道。当原恒星的半径与冥王星的轨道半径相当时，主要是氢分子的粒子平均密度约为1012/cm3。从达到这个密度开始，原恒星在自身引力作用下迅速收缩的自由下落阶段要持续10年多的时间。经过这个阶段，原恒星缩小了约100倍，相当于由冥王星轨道范围缩小到水星轨道范围。
此后，由于密度的增大，原恒星一度变得对内部辐射不透明，温度也随之升高，致使收缩急剧地减慢下来，并进入有对流作用的林忠四郎阶段。这个阶段的初期，会出现一次红外波段辐射增强的耀发现象。利用现代红外天文学手段发现的一些表面温度为300～700K的红外星（诸如猎户座中的恒星，麒麟座R星以及其它一些天体），看来就是处在这种耀发阶段的原恒星。其中猎户座FU星是相当特殊的，这颗星的半径是太阳半径的25倍，它在1936年突然耀发，亮度增加了几十倍，但是它的表面温度竟高达5000K，这显然要比原恒星耀发所需的温度高。另一个可能类似于猎户座FU的天体天鹅座V1057星，在它耀发过程中相伴发出的1720MHzOH脉泽谱线，也被射电天文手段记录到了，但这颗星的亮度减弱较快。
对处在耀发以后一般对流收缩阶段的原恒星来说，可用的亮度和光谱观测资料则丰富得多。早在20世纪中期，通过天文观测就知道一类所谓的金牛座T型星。它们一般是温度较低的冷星，而且亮度有相当快速但不够规则的变化。在金牛座T型星的光谱中含有大量的锂的吸收线，表明这类星大气中的锂要比太阳大气中的锂多出几百倍。这只能解释为这类星的内部温度还比较低，因而引起轻元素（包括锂）“燃烧”的第一轮核反应尚未开始。值得注意的是，金牛座T型星总以所谓的T星协的形式成群地出现，并常常与年轻的大质量热星群O星协处在一起。这种情况也只好用星际气尘复合体是诸多恒星的共同母体来解释。由这个母体产生出来的众多原恒星，它们的质量不尽相同，其中质量较大的原恒星会相对快地到达主星序，演化成为O型星（或B型星）；而金牛座T型星这种质量较小的原恒星则演化得慢得多，它们大约要经历几千万年之后，才能结束对流收缩阶段，由原恒星演化成为称作主序星的恒星。
在成为主序星前的金牛座T型星的光谱中，常常出现氢、电离钙和一些其它元素的发射线。这说明由于对流运动，这类星的外层大气被运动的机械能所加热，进而达到“沸腾”的状态，才会有诸多的发射线。然而，金牛座T型星的光谱中也含有向蓝端移动的吸收线成分。这表明这类星也不是一个封闭系统，从它的表面不断地有物质向外抛射，其抛射量约达10-7m⊙/年。这种质量散失所带走的运动能流大约相当于其辐射流量的10％～20％。这些事例都证实金牛座T型星正是处在林忠四郎阶段的典型原恒星。
图7．5表示几种质量不同的原恒星从理论上计算出的演化路程。由图可见，金牛座T型星不仅包括温度在3500K左右的冷天体，而且还包括热得多的天体。因为它们都是进入主星序前的原恒星，都要经历对流收缩的林忠四郎阶段。对于质量相当于一个太阳质量（1m⊙）的原恒星，在它达到主星序以前，其中心部分的能量已经开始以辐射方式传输了。那时原恒星的半径近似等于它后来成为主序星时的半径的2倍，而光度则相当于后来的1.5倍。随着进一步的收缩，原恒星的光度可降低到极小值，相当于它后来成为主序星时光度的一半。此后的收缩则由于温度升高的趋势更快，从而导致它成为一颗“真正的”恒星，其半径和光度都基本上稳定在主星序的相应位置上。图7．5所示的大质量原恒星，它们进入主星序前的光度在相当大的温度变化范围内近似于常量，这可能表明，大质量原恒星可以非常快地（只要几千年）“冲过”它们演化过程的水平路径。因此，这类巨星在观测上也是相当罕见的。观测上看到的往往是这些巨星（原恒星）已经变成O型或B型主序星时的情况。图7．5可以作为原恒星群T星协常常与主序星群O星协处在一起的一种理论判断依据。
银河系内恒星的生成
最后，让我们以银河系现在的结构状态为例，对过去的历史进行推测，看看诸多的恒星在旋涡星系内可能的生成情况。
大爆炸后，随着宇宙空间的膨胀和光子的脱耦，原始火球物质也不断地扩大分布范围并逐渐冷却，进而成为构成各类天体的基本物质。这里要求物质的密度在空间不是绝对均匀分布的，而是多少有些涨落。这样，在万有引力的作用下，密度较小的物质必然被密度较大的物质所吸积，进而使原来作为整体出现的物质相继分裂为许多独立的凝聚物或云团。这些云团以后会演变成为众多的星系团。同样的机理会使这些星系团又碎裂为许多的“原星系”，以及在“原星系”内再形成更多的“原恒星”。我们所处的银河系就是由其中的一个原星系演变而来的，而银河系内的恒星自然也是由相应的原恒星演变而来的。
设想原银河系是一个具有星系尺度的巨大云团。该云团初期呈球形，并且多少有些旋转。在仍然存在密度涨落的情况下，云团会逐步碎裂为许多气体云。其中某些部分的气体云还会因引力作用而滑落进由磁力线形成的“凹坑”，成为更加浓密的气尘复合体。如前所述，这些气尘复合体就是恒星的母体。
图7．6是现代银河系结构的侧视图。由图可见，大多数恒星都密集地分布在很扁的银盘内，形似两个口对口放置的圆盘。中间的白色长条表示吸光很强的尘埃物质。箭头指出了太阳目前所处的位置，它距离银河系中心（银心）不足3万光年。在银盘上下较为稀疏和均匀分布的球状星团（粗点子）和恒星（细点子）则组成银晕。早在 20世纪初期，沙普利（ H． Shapley）就通过对这些球状星团的观测推知，球状星团在球形空间内的位置基本上是均匀分布的，而且太阳不处在银河系中心。这意味着这些球状星团必然诞生在距今上百亿年的很久以前。那时原银河系云团呈球形，并且旋转也小。从云团碎裂出来的许多气尘复合体才得以随机地分布在广大球形区域内，并继而产生出银河系第一代恒星。当然，这第一代恒星初期往往是以星团的形式成批地出现的。但由于恒星的质量大小不同，它们进入主星序前所需要的时间以及在主星序阶段的停留时间都有很大差别。结果必然导致大质量恒星先从星团内消失，今日看到的银晕内的恒星和球状星团应属于质量较小而寿命很长的一类恒星。另外，通过光谱观测可知，银晕内恒星和星团的化学组成一般都是贫金属的，即重元素含量很少。这说明它们的“母体”成分很单纯，基本上只包括氢、氦等轻元素，而这些轻元素是可以直接来自宇宙原始背景物质的。最后值得注意的是，银晕内恒星的运行情况也是很不规则的，相应的轨道平面可以与银道面有各种各样的夹角。这种情况与太阳系内彗星的运动有相似之处：一般认为彗星是形成太阳系的原始星云的一种残迹，它们的运行轨道平面是可以与行星的公转轨道平面有各种各样的夹角的。
我们知道，一个角动量保持常量的旋转球体，当它在自身引力作用下不断收缩时，其旋转速度也会逐渐加快。原银河系云团正是在这种情况下日益收缩体积和加快转速的。其中，在与旋转轴垂直的平面上，云团物质的惯性离心力最大，收缩起来比较困难；而在该平面上下（特别是旋转轴所指向的两极），云团物质的惯性离心力较小，因而会纷纷向该平面沉降，使球状云团逐渐变成扁扁的圆盘，并最终形成银盘。当然，此前已经由气尘云演变成恒星的银晕天体，因有较大的初始动量，是不会落到银盘上来的。
这样，在银盘内气尘物质就逐渐密集，并大体上都围绕银心快速地旋转着。这些气尘物质的成分也不再那么纯洁了，因为还经常受到银晕中恒星衰亡时所抛洒下来的灰烬的“污染”。在这些灰烬中肯定包含有许多在恒星内部高温条件下“锻造”出来的重元素。在这种情况下，从银盘内诞生出来的恒星必然是富含金属元素的，实测结果也证实了这个论断。
从银盘内诞生恒星的条件比银晕内优越得多。因为银晕内的气尘复合体自从诞生出早期的恒星集团后就日益消失，而其中的大质量恒星衰亡时所抛出的气尘物质又不能在银晕内长期停留。理论和观测都表明，在现在的银河系内，恒星诞生的理想场所仍然非银盘莫属。不过，在银盘的不同部位，由气尘复合体产生出年轻恒星的难易程度也有很大差别。如果银盘内的气尘物质落到磁力线的“凹坑”里，它就易于变成作为恒星母体的气尘复合体。特别是如果这种气尘复合体在绕银心运行的过程中碰到旋臂，便会进而受到来自旋臂内边缘的冲击波的挤压，这就更易于年轻恒星的诞生。我们的太阳系就是大约50亿年前在银盘内诞生的，地球跟随太阳绕银心旋转也大约有46亿年。在这漫长的岁月里，地球所处的银河系环境在不断地变化，特别是在旋臂内外的环境肯定变化很大。这种变化可能给地球和人类造成的影响，的确是耐人深思的重大课题。