第四章 恒星與行星 大爆炸后90億～92億年

在前面的章節(jié)中，我們看到宇宙被第一代恒星所點(diǎn)亮，以及星系的形成?，F(xiàn)在，當(dāng)大爆炸過(guò)去90億年時(shí)，宇宙看上去很像我們現(xiàn)在所見(jiàn)到的周圍的情況，星系中充滿了第二代恒星?，F(xiàn)在到了仔細(xì)談?wù)摵阈茄莼臅r(shí)候了。我們已經(jīng)對(duì)第一代恒星作了一些介紹，但對(duì)它們實(shí)際的形成過(guò)程一帶而過(guò)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)關(guān)注那些能夠延展到整個(gè)宇宙間的效應(yīng)。我們知道它們會(huì)在耀眼的閃光中結(jié)束自己短暫的生命，它們的超新星爆炸將重元素撒向四方。另外，還有一個(gè)極為重要的效應(yīng)，爆炸形成的沖擊波將激發(fā)新恒星在周圍氣體云中的形成。

很長(zhǎng)時(shí)間里類星體都是最顯著的天體。它們中心的黑洞吞噬著其所能夠得到的巨量的氣體和塵埃，釋放出龐大的能量。當(dāng)這些塵埃和氣體消耗殆盡后，類星體暗淡下去，宇宙里剩下大量的“正?！毙窍怠?0億年前，氣體轉(zhuǎn)化成恒星的速率加快了，宇宙變得更加明亮。后來(lái)，40億到50億年期間，燃料開(kāi)始耗盡，垂死的恒星超過(guò)了正在誕生的恒星。同時(shí)，就在這一時(shí)段，在一個(gè)不起眼的旋渦星系中，我們的太陽(yáng)開(kāi)始形成。下面讓我們仔細(xì)地探查一下恒星形成的過(guò)程。

恒星的誕生

恒星在星系中的形成并不是均勻地發(fā)生的，周圍物質(zhì)的條件會(huì)對(duì)收縮產(chǎn)生影響。像我們自己的星系的旋臂就是一個(gè)很好的例子。對(duì)任何旋渦星系的光學(xué)照片一眼看去就能發(fā)現(xiàn)，旋臂上的恒星趨向于藍(lán)色，而核球處的則呈黃色。以宇宙標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，旋臂上的熾熱大質(zhì)量藍(lán)星壽命是較短的，只能維持幾千萬(wàn)年。這意味著無(wú)論我們?cè)诤翁幙吹搅怂{(lán)色恒星，就可以確定這片區(qū)域內(nèi)的恒星是在相對(duì)較近的時(shí)期內(nèi)形成的。所以可以得出結(jié)論，在旋渦星系中恒星的形成集中在旋臂上。

包括太陽(yáng)在內(nèi)的所有恒星都是在巨大的恒星孕育區(qū)內(nèi)形成的，我們稱之為星云，可看作是氣體和塵埃的倉(cāng)庫(kù)。在星云之內(nèi)，充滿宇宙其他地方的強(qiáng)烈輻射被擋在外面，故而物質(zhì)能夠冷卻到非常低的溫度，而如何達(dá)到這點(diǎn)對(duì)于整個(gè)恒星形成過(guò)程是非常關(guān)鍵的。最初，冷卻是由于氫分子能夠向外輻射出能量，能量的流失冷卻了云氣，溫度降了下來(lái)。其后這項(xiàng)工作由碳或氧原子更加高效地完成了。在這一氣體區(qū)域中，由引力作用造成的收縮與粒子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)相對(duì)抗，如果這些粒子運(yùn)動(dòng)很快，就可以克服引力帶來(lái)的緊縮，這個(gè)氣團(tuán)就永遠(yuǎn)不會(huì)收縮到形成恒星的程度。對(duì)恒星生成區(qū)的現(xiàn)代觀測(cè)表明，這是一個(gè)持續(xù)進(jìn)行的過(guò)程，氣團(tuán)不斷地形成和消散著。

不過(guò)請(qǐng)記住，粒子的速度由溫度決定。溫度越低，粒子運(yùn)動(dòng)得就越慢。如果氣體能足夠冷卻，引力就會(huì)贏得這場(chǎng)較量，冷卻的氣體團(tuán)會(huì)趨于收縮。

一旦收縮達(dá)到某一程度就不可能逆轉(zhuǎn)，一個(gè)原恒星的核心就會(huì)形成。這樣的核心包含大量的、天文學(xué)家稱之為“塵?！钡男×Ｗ印Ｋ鼈兿裆沉Ｒ话愦笮?，主要是碳和硅的化合物。正是這些塵埃使得對(duì)恒星形成的研究非常困難，尤其是在光學(xué)波段。因?yàn)榭梢?jiàn)光幾乎完全被塵埃所阻擋。對(duì)于稍熱的塵埃區(qū)域，紅外觀測(cè)非常有用。但是，在恒星形成的早期階段，溫度可能低至10K，這時(shí)甚至紅外波也無(wú)能為力。要觀測(cè)這種宇宙間最冷的地方，我們必須轉(zhuǎn)到亞毫米波。

星云內(nèi)的溫度是如此之低，以至氣體凝固在塵埃上。氣體主要是氫，也有簡(jiǎn)單的化合物，例如一氧化碳。每類分子都形成一個(gè)冰層。不過(guò)最近的研究表明這種層次結(jié)構(gòu)可能過(guò)于簡(jiǎn)化了，冰是由不同分子混合而成。

氣體在很低的溫度下運(yùn)動(dòng)很慢，再加上難以想象的低密度，分子之間的碰撞相當(dāng)稀少，即便發(fā)生，能量也很低。值得注意的是，天文學(xué)家所稱的“比較致密的云團(tuán)”，若是在地球上的實(shí)驗(yàn)室中我們會(huì)認(rèn)為那是極好的真空。所以，相對(duì)只有很少的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。