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探索恒星形成之谜
文章来源: 文章作者:sj 发布时间:09-11

  在珍妮·李·莱文斯 1957年推出唱片“大火球”之前,人类就已经开始思索有关恒星形成的问题了。莱文斯的唱片给流行乐坛带来了革命,使自那以后的整整三代人蹦个不停,转个不停。

  天体物理学家和天文学家们也分享着莱文斯的音乐所带来的那份激动。但是同时,天体物理学家们还不得不付出更多的努力,来了解在我们的天空形成的那个晚上,曾经存在的那些大火球是如何舞动的。宇宙中的发光物质是来源于一颗恒星,还是一群恒星?后来的恒星形成是因为一个共同的变化规律(如分子云崩溃理论),还是在一个充满着各种各样不同的作用力及内部机制的沸腾的大深坑里进行的呢?这些问题现在还无人能够作答。

  但人们正在做着各种各样的努力。在过去的几年里,计算机性能的提高、数值计算技术的发展,以及数以百万计的恒星观察记录,使我们在推测恒星形成初始机制方面、恒星形成的物理、化学环境方面以及在宇宙的历史中恒星群的位置及出现时间方面都有了较大的进展。

  在最简单的假想环境中,拥有一些发光物质的恒星是独立于其他恒星,而独自形成。托马逊回顾了这种类型恒星形成过程中最初的两个阶段:首先是在一个主要由氢分子组成的星云中形成一个有边界的引力核,然后该引力核在自身引力作用下发生崩溃。在这一部分里,最有意思的一点是,如何从引力核的崩溃过程中克服气体紊流及磁场作用的影响,形成一个原恒星。最近罗伯特及其他一些科学家所做的一些模拟试验表明,在分子星云崩溃过程中所形成的宇宙中,第一个发光物体很可能是一颗非常庞大的恒星。

  另一位科学家则回顾了以恒星群为方式的形成理论。许多专家认为恒星是成群形成的,而不是单个独立形成的。若这种情况成立的话,当讨论一颗恒星的形成环境时,我们就要考虑到来自其周围其他星体物质的气流以及冲击波的影响。 他认为最早的恒星就是在相当紊乱的、相互影响的环境中形成的。最近,天文学家们在合成初始质量方程中的数据时,对该理论进行了一些简化处理。他们认为特定质量恒星的空间分布是在一个已经给定的空间范围之内。

  卡特回顾了各种质量范围内的恒星的初始质量方程。他分析的结果是:不管恒星的年龄及周围环境如何,它们都有着类似的初始质量方程。这种一致性真是出乎意料,它表明所有的恒星有着类似的形成机制。

  恒星的形成是天体物理学领域中最为基础性的问题,因为它是解答其他许多问题所必须知道的常识。这些问题包括恒星系的形成、太阳系的形成等问题。这一物理过程涉及到了某一包含有不规则磁场的部分离子化媒介的紊乱行为。当前核心的争论主要围绕着紊乱开始消退的时间,以及磁场和紊流所起到的作用的重要程度。诸如毫米波照相机等新的技术进步使我们可以观察星体的温度及密度分布,并可以让我们统计分析在自身引力作用下正在崩溃及处于崩溃边缘的天体的寿命。同时,计算机计算能力的提高,使得我们可以使用包含磁场及紊流效应的更为复杂的模型。但现在任何一种模型都无法再现所有的观察结果。

  关于宇宙中第一颗恒星的形成,天文学家们从一套完整的自协调三维流体力学模拟方程中得到了一个结果。在当前流行的形成结构模型中,大多数假想是这个样子的:最初是暗物质为主,而伴随着由于初始低密度物质紊流而产生的不稳定状态的出现,形成了星系形成前的天体物质。由于这些天体物质是分级聚集而成,最初的气体便通过氢分子链的振动而冷却,并逐渐沉入暗物质势阱的中心。我们对分子星云的形成进行了一次高红移模拟,当高密度的低温核心气体开始由于引力而自凝聚时,拥有100M(M为太阳的质量)左右大小的高密度核心能够迅速收缩。在粒子数密度高于10M每立方厘米的地方,1M的原恒星核就能够通过三体氢分子的形成而完全分子化。与以往分析预计的结果不同的是,这一过程并不产生新的分裂,而是只形成一个恒星。而且,当光学深度效应很明显时,计算就终止了,使得完全形成后的恒星的质量成为未知数。而在计算终止时,原恒星正处于物质增加非常迅速的时期(约每年102 M )。来自该恒星的辐射反馈不仅会终止该恒星的成长,而且还会抑止处于同一形成环境中其他恒星的形成。我们得到的结论是,在一个星系形成前的晕轮中最多只会形成一个庞大(质量远大于1M)的、无金属的恒星,这与最近对贫金属晕轮恒星的质量观测结果相符。

  我们的宇宙中最早的恒星是怎样形成以及什么时候形成的呢?最近的一些计算研究正在为这一问题给出答案。罗伯特报告,汇报了在初始星云核崩溃过程中恒星形成的三维计算分析结果。第一颗恒星形成于大爆炸后约100万年;每千个原子中只有一个有幸参与到第一代的恒星中去。但若要计算后来发生的复杂的星际气体动力状态及反馈的话,将不得不建立更为复杂的系统,同时要面临更大的挑战。

  恒星在任何类型及处于任何演化阶段的星系中都是普遍存在的。同时,我们还发现恒星在非常广泛的环境中形成,从接近巨型的分子星云到存在于发生了星际爆发及处于聚合状态的星系中的超巨型分子星云。在我们的星系及其他的星系中那些有代表性的恒星都是作为恒星群中的一员而形成的,这就表明恒星的形成是发生在恒星群内部的事情,而不是一个个孤立的现象。对于恒星成群形成理论最大的挑战是如何理解恒星中质量的均匀分布。

  在某一特定的太空空间中,某一恒星形成过程中的质量分布叫做IMF。对于质量很低的褐色小星到巨大的恒星,天文学家们都估计了它们的IMF。他们还对各种不同环境中恒星的IMF进行了比较,发现它们的IMF出乎意料地一致。这里所谈到的环境包括:在现在的一些小分子星云中处于形成状态的恒星,在大星云中处于形成状态的高密度的恒星群,及远古时为暗物质控制的贫金属外来恒星群。IMF一致性的结果给现在恒星形成理论带来了挑战,因为根据现在的恒星形成理论,IMF应针对不同的恒星形成条件而发生变化。

 
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