揭秘宇宙最早恆星艱難誕生過程
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如果說有什麼事情你認為天文學家們現在應該已經搞清楚了，那就是恆星是如何形成的。關於恆星形成的基本想法可以追溯到18世紀的伊曼紐爾·康德和皮埃爾-西蒙·拉普拉斯，隨後物理學家們則在20世紀上半葉搞清楚了它們是如何發光和演化的細節。恆星形成似乎看起來已經是一個被解決了的問題。但事實遠非如此。恆星形成依然是當今天體物理學中最活躍的領域之一。下面就和小編去了解一下吧。
用最簡單的話來講，這一過程彰顯著引力戰勝了壓強。它始於星際空間中漂浮著的巨大氣體、塵埃雲。如果這片星雲——或者，通常把星雲中某個高密度部分稱為「雲核」——的溫度足夠低、密度足夠大，向內的引力就會超過向外的氣體壓強，於是它就會在自身的重量下坍縮。這片星雲或者這個雲核的密度和溫度會變得越來越高，最終點燃核聚變。由聚變產生的熱量會使得內部壓強升高，進而停止坍縮。於是這顆新誕生的恆星就會進入可持續數百萬乃至上萬億年的動態平衡狀態。
這一恆星形成理論是自洽的，並且和大量的觀測相符。但它還遠未完善。上一段中的每一句話都亟需進一步的解釋。有四個問題特別困擾著天文學家。第一，如果高密度的雲核是孵出恆星的「蛋」，那麼下蛋的「母雞」在哪裡？星雲自身必定來自某個地方，而它們的形成過程還沒有被很好地認識。第二，是什麼使得雲核開始坍縮？無論最初的機制是什麼，它決定了恆星的形成率以及恆星的最終質量。第三，胚胎期的恆星如何彼此影響？標準理論描述的都是孤立的單顆恆星；它並沒有告訴我們，當恆星密集形成的時候會發生什麼，而這卻是絕大多數情況。最近的發現預示，我們的太陽形成於一個已經瓦解的星團之中。在擁擠的託兒所里長大和當一個獨子之間會有什麼不同？
第四，大質量恆星到底是怎樣形成的？標準理論只能用於質量小於20個太陽質量的恆星，對於更大的恆星則不適用，它們巨大的光度會在初生的恆星積聚到足夠的物質前將星雲吹散。此外，大質量恆星會通過紫外輻射、高速外流和超音速激波來作用於它們周圍的環境。這一能量反饋會使得星雲瓦解，但標準理論並沒有考慮這一點。
解決這些問題的呼聲正在日益高漲。從星系形成到行星起源，恆星形成幾乎是天文學中一切的基礎。如果不了解它，天文學家就無法剖析遙遠的星系或者是認識太陽系外的行星。雖然最終的回答還仍然撲朔迷離，但有一點已經取得共識：一個更精湛的恆星形成理論必須要考慮環境對其的影響。新生恆星的最終狀態將不單單取決於雲核中的初始條件，還和其周圍的環境以及其他恆星隨後對它的影響有關。這是一場宇宙尺度上的先天和後天之爭。
生於塵埃
如果你在一個遠離城市燈光、黑暗的地方仰望天空，你會看到貫穿夜空的銀河，在這條彌散的光帶上分布有暗色的斑塊。這就是星際雲。其中的塵埃粒子阻擋了星光，使得它們對可見光而言變得不透明。結果是，想要觀測恆星形成的人不得不面對一個根本的問題：恆星隱藏了它們的出生過程。將要形成恆星的物質既厚又黑；它需要達到足夠高的密度才能啟動核聚變，但目前還沒有到這一步。天文學家可以看到這一過程是如何開始和結束的，但中間過程從根本上幾乎無法觀測，因為大部分的輻射落在遠紅外和亞毫米波段，在這些波段上天文學家的觀測手段和其他的比起來相形見絀。
天文學家認為，形成恆星的星雲是星際介質大循環中的一部分，在這個循環中氣體和塵埃會從星雲變為恆星，再從恆星變回原狀。星際介質主要由氫組成；氦佔據了總質量的四分之一，其他的所有元素則僅佔了百分之幾。這些物質中的一些是宇宙大爆炸最初三分鐘所產生的原初物質，幾乎沒有受到過污染；一些則來源於恆星死亡時的物質拋射；還有一些則是恆星爆炸的殘骸。恆星的輻射會把氫分子瓦解成氫原子。
最初，氣體是瀰漫在宇宙空間中的，每立方厘米中僅有大約一個氫原子，但是當它冷卻的時候，就會凝結成分散的星雲，這一過程類似於地球大氣中水汽凝聚成雲。氣體通過輻射熱量可以冷卻，但這一過程並不直接，因為只有有限的幾種方式熱量可以流失。其中最有效的方式是某種特定化學元素的遠紅外輻射，例如由電離的碳在波長158微米處所發出的輻射。地球的低層大氣對於這一輻射而言是不透明的，因此只有空間天文台（例如，歐洲空間局的赫歇爾空間天文台）或者是架設在飛機上的望遠鏡（例如，平流層紅外天文台）才能看到它們。
隨著星雲的冷卻，它們會變得越來越稠密。當它們達到每立方厘米1,000個原子的時候，就能阻擋來自周圍星系中的紫外輻射。氫原子可以通過有塵埃顆粒參與的複雜過程來合并成分子。射電觀測已經顯示，分子雲包含了從氫分子（H2）到複雜的有機物等等一系列的化合物，也許正是這些有機物為地球上的生命提供了要素。但在此之後，星雲會進一步冷卻。紅外觀測發現，形成中的恆星深藏於塵埃之中，但觀測從分子雲到原恆星的最初幾步仍然非常困難。
事實上，暗星雲和高密度雲核代表著能決定恆星質量的關鍵形成階段。星雲的質量有一定的範圍；小質量的要比大質量的多。這一質量分布直接反映出了恆星的質量分布，唯一的區別是所有星雲的質量都是恆星的三倍。這說明星雲中只有三分之一的物質最終構成了新生的恆星，剩下的則被丟棄到了太空中。
這一質量分布上的相似性是有因果關係的還是純屬巧合尚需要證明。但無論是什麼決定了恆星的質量，它也同時決定了恆星的整個歷史：大質量的恆星會快速死亡並且發生災難性的 爆炸，更一般的則會存在很長時間並且閃耀在夜空中。
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