譯自
Sky & Telescope, Vol. 113, No. 6 (2007)
天文學(xué)家更加明晰地了解了類太陽(yáng)恒星始于純?nèi)粴怏w和塵埃的起源。日復(fù)一日，太陽(yáng)看起來(lái)是穩(wěn)定恒久的。在明亮的下午，當(dāng)你沐浴在它的光芒之下時(shí)，你不大可能去思考它的起源。冷靜的思辨認(rèn)為，它并非一直在此處，而且并不如我們所認(rèn)為的那樣永恒。
由于與地球鄰近，太陽(yáng)對(duì)于我們來(lái)說(shuō)是很特別的。但夜空布滿了無(wú)數(shù)的星辰，其中的一些類似于太陽(yáng)，其他的質(zhì)量和亮度則比太陽(yáng)更大或更小。在這數(shù)以十億計(jì)的恒星中，也許相當(dāng)一部分（甚至是大多數(shù)）周圍擁有行星系統(tǒng)。
北半球冬季夜晚的標(biāo)志是獵戶座。遍布繁星的背景被不可見(jiàn)的氣體塵埃帶穿過(guò)，它們遮住了我們的視野，讓我們無(wú)法目睹混亂的產(chǎn)星過(guò)程中的大多數(shù)。如果你將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)獵戶寶劍中央的那顆“星”，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它是模糊的一團(tuán)。這根本不是單獨(dú)的恒星，而是一窩剛剛孕育出的太陽(yáng)，正將誕生的云團(tuán)吹散。
使用大型專業(yè)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)獵戶座，就可以將這些“原恒星”辨認(rèn)出來(lái)，其中有相當(dāng)一部分都被氣體和塵埃盤(pán)環(huán)繞，而這正是坍縮形成行星的地方。
在紅外波段觀測(cè)，就可以看到獵戶座分子云中的產(chǎn)星活動(dòng)，它們隱藏在塵埃中，在可見(jiàn)光波段上不可見(jiàn)。（圖片提供：Doug Johnstone）
但太陽(yáng)、宇宙中的其他恒星以及附帶的行星是如何產(chǎn)生的呢？在過(guò)去的20年間，象我這樣的天文學(xué)家逐漸揭示了細(xì)節(jié)。有趣的是，所有這些熾熱明亮的核聚變?nèi)蹱t都在星系中最寒冷、最黑暗的地方出現(xiàn)，也就是位于塵埃云內(nèi)的致密團(tuán)塊。
現(xiàn)在我們知道，銀河系中有數(shù)以千計(jì)的暗星云，恒星就在它們內(nèi)部誕生。象金牛座和英仙座中的那些云團(tuán)至多能產(chǎn)生幾倍于太陽(yáng)質(zhì)量的恒星。更大的云團(tuán)（如獵戶座中的那些）可以產(chǎn)生致密的星團(tuán)，其中有質(zhì)量較小的恒星，也有質(zhì)量較大的。引人注目的是，太陽(yáng)形成的區(qū)域與獵戶座類似。因此，我們能憑借對(duì)獵戶座的研究來(lái)探明自身起源的歷史。
近鄰宇宙中的恒星誕生我們觀測(cè)到的任何一片天區(qū)都有恒星在產(chǎn)生。在我們的周圍，恒星主要在類似銀河系的旋渦星系中產(chǎn)生。但在矮星系和不規(guī)則星系中也有產(chǎn)星活動(dòng)，而當(dāng)星系相撞時(shí)，它們也會(huì)從爆發(fā)的活動(dòng)中涌現(xiàn)。其共同特征是冷而暗的大型氣體塵埃云的存在，這類云團(tuán)叫做巨分子云（GMC）。它們的尺度達(dá)數(shù)百光年，其中有著數(shù)千倍太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)。
GMC中的氣體主要的氫，并有少量重元素，如氧、碳、硅等，同時(shí)還存在一氧化碳、氨、水、甲醇等復(fù)雜分子。寒冷的大型云團(tuán)使得其中的分子和原子聚集成團(tuán)，形成了大小在一微米（0.001毫米）左右的塵埃。雖然塵埃只占GMC的1%，它們卻有效地遮擋了可見(jiàn)光甚至近紅外光。因此，GMC看起來(lái)就是群星環(huán)繞的空洞暗斑。
包括新墨西哥州甚大天線陣在內(nèi)的射電望遠(yuǎn)鏡可以探測(cè)到星際云團(tuán)中的氨，而天文學(xué)家將這種分子視作溫度計(jì)。氨分子發(fā)射線的強(qiáng)度正比于氣體的溫度。如今，通過(guò)進(jìn)行類似的測(cè)量，我們知道了旋渦星系中氣體和塵埃的溫度只有10至50開(kāi)爾文（比絕對(duì)零度高10至50攝氏度）。
巨分子云中可能還有氨基酸的存在。想象一下，形成行星的原初物質(zhì)中就包含了生命的構(gòu)造基石！2005年，荷蘭萊頓天文臺(tái)的Fred Lahuis首度為這一觀點(diǎn)提供了確定性的證據(jù)。Lahuis使用NASA的斯必澤太空望遠(yuǎn)鏡在蛇夫座375光年外的地方發(fā)現(xiàn)了行星形成區(qū)含有DNA和蛋白質(zhì)組成分子的幼年行星系統(tǒng)。也許生命會(huì)在該系統(tǒng)中誕生，最終走向繁榮。
咖啡中的云團(tuán)早先，天文學(xué)家為GMC所困惑。我們的疑惑是，為什么GMC沒(méi)有在自身引力的作用下坍縮，并造就猛烈的產(chǎn)星活動(dòng)。是什么力量讓云團(tuán)在數(shù)十億年間都不能簡(jiǎn)單地自我坍縮？為什么宇宙中的氣體并未耗盡？
20世紀(jì)90年代，全世界的天文學(xué)家都意識(shí)到，答案蘊(yùn)藏在湍流的物理性質(zhì)中。當(dāng)你向咖啡中倒入奶油的時(shí)候，發(fā)生的混亂融合是與星際空間中相同的，只是后者的尺度是在數(shù)百乃至數(shù)千光年上的。
湍流使云團(tuán)內(nèi)部產(chǎn)生旋渦，因此它們無(wú)法輕易坍縮。作用力源自云團(tuán)的內(nèi)部和外部，前者如熱量和激波，后者如星系自轉(zhuǎn)或超新星爆發(fā)。帶電粒子（電子、質(zhì)子和離子）沿貫穿GMC的磁力線，它們產(chǎn)生的磁壓也阻礙了自身的坍縮。
當(dāng)然，熱量、湍流和磁壓都存在自身的極限，否則恒星就永遠(yuǎn)不可能由坍縮形成了。關(guān)鍵在于，GMC并不均勻，它們的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)與致密的纖維結(jié)構(gòu)和核結(jié)構(gòu)扭結(jié)。在數(shù)萬(wàn)年間，扭結(jié)逐漸變冷，氣體的湍動(dòng)減弱，磁場(chǎng)消逝。
如此的不活躍狀態(tài)使得云團(tuán)核在自身引力的吸引下坍縮成一個(gè)或幾個(gè)中心團(tuán)塊，這是恒星誕生的基石。每個(gè)團(tuán)塊中大致包一至數(shù)十倍太陽(yáng)質(zhì)量的氣體和塵埃，典型尺度小于1/6光年，這相當(dāng)于海王星軌道半徑的160倍。
原恒星的幼年生活通常的情況是，坍縮云團(tuán)中的不對(duì)稱性和湍動(dòng)會(huì)產(chǎn)生略帶自轉(zhuǎn)（也就是角動(dòng)量）的團(tuán)塊。旋轉(zhuǎn)的原恒星“種子”被引力束縛在一起，其加熱的原因是粒子碰撞導(dǎo)致的內(nèi)部氣體熱壓，而非成年恒星那樣的核聚變。當(dāng)引力使得原恒星進(jìn)一步收縮時(shí)，由于角動(dòng)量必然守恒，氣體球的旋轉(zhuǎn)就越來(lái)越快。
如果所有快速旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)都徑直落向中心，團(tuán)塊的自轉(zhuǎn)就會(huì)快到讓它四分五裂飛散而開(kāi)的地步。實(shí)際上，如果沒(méi)有阻止過(guò)度自轉(zhuǎn)的途徑，只有約莫0.05倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星可以誕生。但比這重得多的恒星都形成了——我們的太陽(yáng)就是明顯的證據(jù)。
吸積盤(pán)的存在解決了這一表面上的困難。這是環(huán)繞原恒星運(yùn)動(dòng)的氣體塵埃盤(pán)。盤(pán)可以讓慢速旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)在原恒星表面積累（也就是吸積），而讓快速旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)從垂直于盤(pán)面的強(qiáng)大噴流中流出系統(tǒng)，從而調(diào)節(jié)了角動(dòng)量。如今，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過(guò)400個(gè)原恒星擁有雙極外流物。
沿兩道外流物長(zhǎng)軸排布的是電離的噴流，其速度可以達(dá)到每秒100公里有余（每小時(shí)222000英里）。噴流通常被更為寬大的氣體泡包裹，氣體泡形成了每秒運(yùn)動(dòng)速度幾十公里的殼層。
球狀暗云BHR 71中的新生恒星破繭而出。左：使用歐洲南方天文臺(tái)甚大望遠(yuǎn)鏡的8.2米Yepun反射鏡拍攝的可見(jiàn)光圖象，其中深埋在星云中的恒星噴出的噴流閃耀出一縷星光。（圖片提供：J. Alves & Others, VLT）右：NASA的斯必澤太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的假彩色紅外圖象，塵埃的面紗被揭開(kāi)，內(nèi)里新生恒星噴出的兩道噴流都顯露了出來(lái)。（圖片提供：NASA / JPL-Caltech / T. Bourke, CfA）
吸積盤(pán)的直徑大約在100至1000天文單位（AU）之間。作為比較，原恒星的雙極噴流可以延伸到更遠(yuǎn)的地方，長(zhǎng)度約3至30光年。它們從分子云中沖擊穿過(guò)，進(jìn)入星際空間。
目前，我們還沒(méi)有很成功地找到內(nèi)流（吸積到原恒星之上的物質(zhì)）與外流（從系統(tǒng)中拋射出去的物質(zhì)）之間的物理聯(lián)系。問(wèn)題在于，我們當(dāng)前的望遠(yuǎn)鏡并不能直接觀測(cè)到原恒星周圍發(fā)生的事情。我們?cè)诟蟮某叨壬蠈ふ抑c(diǎn)滴的線索（例如探測(cè)噴流和盤(pán)的外圍），然后使用數(shù)學(xué)和物理模型推測(cè)更小尺度上發(fā)生了什么。
預(yù)測(cè)過(guò)去已經(jīng)有一些理論模型來(lái)解釋盤(pán)對(duì)吸積的調(diào)節(jié)以及外向噴流的產(chǎn)生。所有模型的關(guān)鍵因素都是穿越盤(pán)面的磁場(chǎng)。它可以讓快速旋轉(zhuǎn)的電離物質(zhì)更有效地從盤(pán)面上下離開(kāi)，并將其猛擲出去。
模型的預(yù)言是，盤(pán)中的剩余氣體會(huì)旋轉(zhuǎn)得更慢，這是因?yàn)橥饬鳉怏w帶走了系統(tǒng)的角動(dòng)量。這樣，引力就變得比離心力更為強(qiáng)大，使減速后的物質(zhì)離開(kāi)盤(pán)面，在原恒星表面積累起來(lái)。
但模型并不能解釋一切。舉例來(lái)說(shuō)，我們對(duì)盤(pán)中的物質(zhì)“裝填”入磁場(chǎng)線并被拋出的過(guò)程并不十分清楚。局部的加熱和湍動(dòng)的旋渦可能有助于將快速旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)帶到盤(pán)面以外，物質(zhì)在這里會(huì)被原恒星的輻射和激波波前電離。之后氣體會(huì)向上向外運(yùn)動(dòng)，把角動(dòng)量帶走，這類似于旋轉(zhuǎn)的電纜上水珠的行為。
在過(guò)去的幾年中，意大利Arcetri天文臺(tái)的Francesca Bacciotti和Leonardo Testi等人領(lǐng)導(dǎo)的數(shù)個(gè)天文學(xué)家小組使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡測(cè)量了源自原恒星的噴流中電離氣體的自轉(zhuǎn)，這些原恒星將產(chǎn)生太陽(yáng)質(zhì)量的恒星。假設(shè)外流物的自轉(zhuǎn)與下面盤(pán)的自轉(zhuǎn)相同，測(cè)得的速度說(shuō)明，噴射物是從距離恒星0.03到2AU的距離上拋出的。換句話說(shuō)，源自新生太陽(yáng)的外流物可能正是從盤(pán)中產(chǎn)生地球和其他類地行星的區(qū)域拋出的。
獵戶座的一顆新生恒星拋出了長(zhǎng)達(dá)12光年的噴流。在這張合成照片中，赫比格-阿羅111的可見(jiàn)光噴流以藍(lán)色和綠色表示，恒星周圍的區(qū)域以紅色表示（紅外圖象）。雖然紅外光可以穿過(guò)周圍的部分云團(tuán)，但側(cè)向我們的吸積盤(pán)還是直接遮住了恒星。（圖片提供：NASA / B. Reipurth, CASA, Uni. of Colorado）
最近的原恒星與地球的距離都有幾百光年。在如此遙遠(yuǎn)的距離上，產(chǎn)生噴流的區(qū)域張角只有0.01角秒。哪怕對(duì)于哈勃來(lái)說(shuō)，這都超出了能力。但目前正在智利興建的阿塔卡瑪大型亞毫米波陣列（ALMA）
可以達(dá)到如此高的分辨率。
使用ALMA之后，我們可能會(huì)最終將原恒星的內(nèi)流和外流聯(lián)系起來(lái)。高速噴流湍動(dòng)的基部是否與類地行星的誕生有關(guān)呢？是不是行星只能在吸積和外流結(jié)束之后才能產(chǎn)生？當(dāng)新的射電望遠(yuǎn)鏡在2012年完工后，這類問(wèn)題就是需要我們解決的。
恒星誕生，與行星一道不論聯(lián)系物質(zhì)流的細(xì)節(jié)是什么，有一個(gè)問(wèn)題是很關(guān)鍵的：一顆質(zhì)量與太陽(yáng)相同的橫行要在幾千萬(wàn)年間逐漸從旋轉(zhuǎn)的盤(pán)面中緩慢地吸積物質(zhì)才能誕生。最終，噴流和生長(zhǎng)中的原恒星會(huì)清空周圍的云團(tuán)，直到幾乎沒(méi)有氣體剩下。在幾百萬(wàn)年的時(shí)間里，吸積和噴射過(guò)程減慢到極低的程度。
在接下來(lái)的1億年間，原恒星逐漸收縮，其核區(qū)的壓力增大，溫度升高，直到中心足以點(diǎn)燃?xì)渚圩兊幕鹧妗活w恒星誕生了。殘留的吸積盤(pán)氣體、塵埃和石礫最終產(chǎn)生了行星系統(tǒng)。
去年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這一圖景對(duì)最小質(zhì)量恒星（0.1倍太陽(yáng)質(zhì)量，僅僅相當(dāng)于100倍木星質(zhì)量）的誕生是成立的。甚至褐矮星（質(zhì)量只有木星的15至75倍，僅僅比行星本身稍大）的形成途徑似乎也與之相同，對(duì)于質(zhì)量只有木星5倍的更小天體也一樣。
利用NASA斯必澤太空望遠(yuǎn)鏡的空前紅外靈敏度，德克薩斯大學(xué)Austin分校的Neal Evans和他的同事發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)附近仍有無(wú)數(shù)正在誕生的褐矮星候選對(duì)象。多倫多大學(xué)的Ray Jayawardhana證實(shí)，這些小質(zhì)量的天體存在吸積和外流現(xiàn)象。難道我們被擁有各自行星家族的自由褐矮星包圍著嗎？也許這類系統(tǒng)比太陽(yáng)這樣的恒星更為普遍。
最近，哈佛—史密松天體物理中心的Subhanjoy Mohanty及其同事宣布，他們發(fā)現(xiàn)了一顆褐矮星，它擁有一顆行星質(zhì)量的伴星，而伴星本身?yè)碛斜P(pán)結(jié)構(gòu)！能夠認(rèn)識(shí)到哪怕質(zhì)量最低的天體也可以通過(guò)螺旋成長(zhǎng)的形式誕生，而行星就處在它們那微小的吸積盤(pán)中，是非常讓人驚訝的。
接下來(lái)的幾年必然是激動(dòng)人心的，我們將繼續(xù)揭秘太陽(yáng)系的起源，也可能距離回答如下問(wèn)題更近一步：其他恒星周圍是否有能夠存在生命的行星？
