【宇宙科普】新恒星的形成是由「金斯不穩定性」這個條件決定的

天空之城 2020/11/13 檢舉 我要评论

「恒星」其實是起源於星系的物質,在銀河系裡面無時無刻都在發生著恒星形成的過程,大質量的恒星一生演化所經歷的時間是非常短的,它的壽命大概只有百萬年至千萬年,而這和銀河系超過100億年的歷史相比是非常短暫的,所以看到的大質量恒星就意味著在現在這個時刻恒星正在形成,而恒星形成所導致的一些觀測效應,在恒星周圍,特別是剛剛誕生的年輕恒星周圍那些被加熱的氣體和塵埃所產生的紅外輻射。

〔旋渦星系·M81〕的紅外圖像是疊加在光學圖像背景之上的,偏向藍色的是「光學輻射」,光學輻射主要是來自于已經形成了的恒星輻射,而黃色和紅色的區域代表的是「紅外輻射」,它們是年輕恒星加熱周圍氣體所產生的輻射,實際上是代表了恒星形成的區域,從圖上面紅外輻射的分佈,可以明顯地看到恒星主要形成在「旋臂」上面,所以對於旋渦星系來講,旋臂是恒星形成的主要場所,但並不是所有旋臂上的氣體都能夠形成恒星,只有一些極少數非常緻密的分子雲核才有可能會變成新生的恒星,新恒星的形成是由「金斯不穩定性」這個條件決定的,要形成一顆恒星就意味著氣體的密度要增加很多。

「金斯不穩定性」

當星雲的質量足夠高時,引力超過氣體壓力時會引起擾動使得星雲收縮,氣體密度隨著空間分佈的變化而變化, 有些區域升高了,有些區域下降了,換句話說就是有些區域的氣體變得更密集了,有些區域氣體變得更稀薄了,更密集的區域相應來說,引力會變得更強,所以會吸引更多的氣體進入這個區域,而稀薄的區域引力變弱了 ,氣體會更快地從這個區域被吸引走,於是這種擾動就有可能隨著時間的變化會發生放大的現象,密度變得更密,稀薄區域的密度更稀疏。

發生「金斯不穩定性」是需要條件的,如果在氣體裡面引力超過了它自身的壓力,就有可能發生「金斯不穩定性」現象,這個條件所對應的氣體雲則需要一個最小的質量,稱為叫「金斯質量」,在氣體雲裡面,氣體無規則運動所對應的動能依賴於氣體裡面包含了粒子的總數,而氣體的勢能取決於氣體雲的質量和半徑,當兩倍的動能小於勢能的時候才有可能會發生星雲的密度擾動而導致的探索,而這個條件就對應著「金斯質量」的大小。星雲的密度越高,溫度越低,「金斯質量」就越小,這樣氣體就越容易滿足質量超過「金斯質量」的要求,因此恒星往往是誕生在那些高密度,低溫度的分子雲的雲核裡面,這只是形成新恒星的一個初始的條件,這個條件所經歷的過程大體上可以分為幾個步驟:

1.當分子雲核變得不穩定了就有可能會發生收縮和坍縮現象,在坍縮的過程中還會不斷地分裂成更小的團塊,因為它的質量遠遠地超過「金斯質量」,所以體積在減小收縮的同時又不斷地坍縮變成更小的團塊,那些更小團塊的質量依然超過「金斯質量」的大小的話,它們同樣會經歷收縮、坍縮和分裂的過程,這樣一個大的氣體的雲塊最終會分裂成非常多的小的團塊,而這種分裂的過程只有當它的質量和「金斯質量」相當的時候它才會停止。

2.當分裂停止之後,接下來就是每一個小團塊獨自的演化,這個時候它會繼續地坍縮變成所謂的「原恒星」,也就是恒星的胚胎,譬如太陽在形成的過程裡面就經歷了原恒星的階段,它的品質只有今天質量 的1/3左右,更多的質量 是來自于原恒星形成之後對周圍物質的吸積過程,因為雲核的坍縮,所以氣體還在不斷地下落,氣體在下落的過程中具有角動量,因此會在原恒星周圍形成一個吸積盤,原恒星一邊吸積,一邊向外面拋射物質或者以星風的方式在損失物質,但是總的結果恒星的質量 在不斷增大。

3.隨著時間的推移,吸積物質的量變得越來越少了,恒星的輻射慢慢地從周圍包裹著的物質裡面開始展露出來了,當恒星的質量 達到氫原子核的熱核反應條件時,就開始進行熱核反應了,一顆「主序星」在這個時候就誕生了,這時候的恒星稱為「零齡主序星」。

4.「零齡主序星」周圍的物質大部分被恒星的輻射或者是星風帶走了,但是依然有一部分保存了下來,通過碰撞、生長等一系列過程變成了恒星周圍的「行星系統」。

通過觀測對新恒星形成理論進行檢驗

圖解:最左邊是〔獵戶星雲〕光學的圖像,中間是〔獵戶星雲〕紅外圖像

上面展示的三幅圖像分別展示了「恒星形成區」和「原恒星」,〔獵戶星雲〕在光學波段看到的輻射主要是來自于星雲裡相對熱的氣體以及中間幾顆明亮的恒星。但是是在紅外波段會看到大量的、在光學波段無法發現的年輕恒星,其實它們還沒有真正地顯露出來,但是可以看到在年輕恒星周圍的塵埃雲所產生的紅外輻射。

右邊的圖片展示的是一顆正在形成的原恒星,這是一個年輕的恒星,叫做〔Hl.Tau〕,這個原恒星是利用亞毫米波段的望遠鏡觀測得到的,中心最明亮的原恒星周圍是吸積盤,這個吸積盤的結構正是太陽系形成所經歷過的過程。

總結·恒星形成的過程

-原恒星坍縮,同時快速吸積周圍的物質。

-隨著時間的推移,物質吸積過程逐漸減弱至停止吸積。

-原恒星核心開始氫的熱核反應,「零齡主序星」就此誕生。

-周圍的吸積盤最終演化為行星系統。

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