Molecular Clouds and Protostars

分子云和原恒星

寒冷、浓密的气体和尘埃云如何坍塌形成恒星育婴室中的新恒星

在星际之间看似空旷的浩瀚之中，巨大的分子气体和尘埃云静静地漂浮着——分子云星际介质（ISM）中的这些寒冷、黑暗的区域是 出生地 恒星。在它们内部，引力可以聚集足够的物质来点燃 核聚变，开启恒星漫长的演化历程。从数十秒差距的弥散巨分子复合体到致密的致密核心，这些恒星孕育场对于星系恒星群的更新至关重要，它们会孕育出低质量的红矮星和更高质量的原恒星，这些原恒星有朝一日会像O型或B型恒星一样闪耀。在本文中，我们将探讨分子云的性质，以及它们如何坍缩形成 原恒星以及影响恒星形成这一基本过程的物理因素（重力、湍流、磁场）的微妙相互作用。

1. 分子云：恒星形成的摇篮

1.1 组成和条件

分子云 主要由氢分子组成（H2），以及氦和微量重元素（C、O、N等）。由于尘埃颗粒会吸收和散射星光，它们在可见光波段通常显得较暗。典型参数：

  • 温度：密集区域的温度约为 10–20 K，足够冷以使分子保持结合。
  • 密度：每立方厘米几百到几百万个颗粒（e.g，比平均 ISM 密度高一百万倍）。
  • 大量的：云层可能跨越几个太阳质量到超过 10 个6 米⊙ 在 巨分子云（GMC） [1,2]。

如此低的温度和高密度使得分子能够形成和持续存在，从而提供重力可以克服热压力的屏蔽环境。

1.2 巨分子云和子结构

巨大的分子云（直径达数十秒差距）拥有复杂的亚结构： 细丝， 密集的团块， 和 核心。这些子区域可能在引力上不稳定，坍缩成 原恒星 或小星团。用毫米或亚毫米望远镜观测（e.gALMA）揭示了复杂的丝状网络，恒星形成通常集中在这里[3]。分子线（CO、NH3, 碳酸氢钠+) 和尘埃连续图有助于测量柱密度、温度和运动学，表明子区域可能如何碎裂或坍塌。

1.3 云崩塌的触发因素

单靠引力并不总是足以引发大规模坍塌。其他“触发因素”包括：

  1. 超新星冲击波：膨胀的超新星遗迹可以压缩附近的气体。
  2. 哈 II 区域扩展：来自大质量恒星的电离辐射扫过中性物质壳，将它们推入相邻的分子云。
  3. 螺旋密度波：在星系盘中，经过的螺旋臂可以压缩气体，形成巨大的云，最终形成星团 [4]。

虽然并非所有恒星的形成都需要外部触发，但这些过程可以加速原本稳定区域的碎裂和引力坍缩。

2. 崩溃的开始：核心的形成

2.1 引力不稳定性

当分子云内部质量和密度的一部分超过 牛仔裤质量 （临界质量，超过该质量重力将超过热压），该区域就会坍塌。牛仔裤的质量随温度和密度的变化如下：

米J ∝（T3/2)/(ρ1/2）。

在典型的寒冷、致密的地核中， 热的 或者 动荡 压力难以抵抗引力收缩，从而引发恒星形成[5]。

2.2 湍流和磁场的作用

湍流 分子云中的粒子会注入随机运动，有时可以支撑云层避免立即坍塌，但也会促进局部压缩，从而形成致密核心。与此同时， 磁场 如果场线穿过云层，则可以提供额外的支撑。极化尘埃发射或塞曼分裂的观测可以测量场强。湍流、磁力和引力的相互作用通常决定了这些巨型云层中恒星形成的速率和效率[6]。

2.3 碎片化和集群

随着坍塌的进行，一朵云可能 分段 形成多个致密的核心。这有助于解释为什么大多数恒星形成于 集群 或星群——共同诞生的环境可以从少数原恒星到拥有数千颗成员的丰富星团。星团可以包含质量范围广泛的恒星，从亚恒星棕矮星到大质量O型原恒星，它们都大致同时形成于同一个大质量黑洞中心。

3. 原恒星的形成和阶段

3.1 从致密核心到原恒星

最初， 致密核心 云中心的物质变得对自身辐射不透明。随着它进一步收缩，引力能量被释放，加热了新生的原恒星。这个物体仍然嵌入尘埃包层中，尚未发生氢聚变——它的亮度主要来自引力收缩。从观测上看，早期原恒星出现在 红外和亚毫米 波长，这是由于光学波长处尘埃严重消光所致[7]。

3.2 观察类（类 0、I、II、III）

天文学家根据 光谱能量分布 粉尘排放量：

  • 班级 0：最早的阶段。原恒星深深嵌入包层中，吸积率很高，几乎没有星光直接逸出。
  • 班级 我：信封质量仍然很大，但与 Class 相比有所减少 0. 原恒星盘出现。
  • 班级 二：通常被认定为 T 金牛座 恒星（低质量）或 Herbig Ae/Be 恒星（中等质量）。它们呈现出明显的盘状结构，但包层较小，以可见光或近红外辐射为主。
  • 班级 三：一颗几乎没有盘面的前主序恒星。该系统接近一颗完全形成的恒星，只有一个残留的盘面。

这些类别追踪了恒星从深层笼罩的婴儿期到更加显露的前主序恒星，最终在主序带上燃烧氢的路径[8]。

3.3 双极流出和喷流

原恒星通常会发射 双极喷射 或沿其旋转轴平行的外流，推测是由吸积盘中的磁流体动力学过程驱动的。这些喷流在周围的包层中凿出空腔，形成了壮观的 赫比格-哈罗天体同时，速度较慢、角度较大的流出物会带走下落气体中多余的角动量，从而防止原恒星旋转过快。

4. 吸积盘和角动量

4.1 磁盘形成

随着云核的崩塌， 角动量守恒 迫使下落的物质沉降到旋转的 恒星盘 围绕原恒星。这个由气体和尘埃组成的圆盘，半径可达数十到数百个天文单位。随着时间的推移，圆盘可能会演变成一个 原行星盘 行星可以在这里形成。

4.2 盘面演化和吸积速率

从盘到原恒星的吸积受盘粘度和磁流体动力学湍流（“α盘”模型）控制。典型的原恒星质量吸积率可能为10−6–10−5 米⊙ 年−1，随着恒星接近最终质量而逐渐减小。观察亚毫米波长的盘面热辐射有助于测量盘面质量和径向结构，而光谱学可以揭示恒星表面附近的吸积热点。

5. 大质量恒星的形成

5.1 大质量原恒星的挑战

形成大质量 O 型或 B 型恒星会带来额外的复杂情况：

  • 辐射压：高亮度的原恒星会发出强烈的向外辐射，从而阻止吸积。
  • 短开尔文-亥姆霍兹时间尺度：大质量恒星迅速达到较高的核心温度，在吸积的同时引发聚变。
  • 集群环境：大质量恒星通常形成于致密的星团核心中，在那里相互作用和相互反馈（电离辐射、外流）塑造气体[9]。

5.2 竞争积累与反馈

在拥挤的星团环境中，多颗原恒星争夺同一气体储层。来自新形成的大质量恒星的电离光子和恒星风可以 光蒸发 邻近核心，改变或终止其恒星形成。尽管存在这些障碍，大质量恒星确实会形成，尽管数量较少，但它们在恒星形成区域的能量和富集输出中占据主导地位。

6. 恒星形成速率和效率

6.1 全球银河系恒星形成率

在星系尺度上，恒星形成率（SFR）与气体表面密度相关—— 肯尼库特-施密特定律螺旋臂或棒状星系中的分子区可以形成巨大的恒星形成复合体。在矮不规则星系或低密度环境中，恒星形成更为零星。与此同时，星暴星系可能会经历由相互作用或内流引发的强烈而短暂的恒星形成时期[10]。

6.2 恒星形成效率（SFE）

分子云中的物质并非全部都会变成恒星。观测表明 恒星形成效率 单个云团中的超临界流体效率（SFE）可能高达百分之几到百分之几十。原恒星外流、辐射和超新星的反馈可以驱散或加热剩余的气体，从而抑制进一步的坍缩。因此，恒星形成是一个自我调节的过程，很少会一次性将整个云团转化为恒星。

7. 原恒星的寿命和主序列的开始

7.1 时间表

  • 原恒星阶段：低质量原恒星在核心氢聚变开始之前可能需要花费几百万年的时间收缩和吸积。
  • T 金牛座/主序列前：这个明亮的主序前阶段持续到恒星稳定在 零龄主序列 （ZAMS）。
  • 更高质量的：质量更大的原恒星坍缩并点燃氢气的速度更快，在几十万年内迅速连接原恒星和主序列阶段。

7.2 氢聚变的点火

一旦核心温度和压力达到临界阈值（约 10 质子-质子链在~1 太阳质量恒星）， 核心氢聚变 开始。然后恒星进入主序列，根据其质量，稳定地辐射数百万到数十亿年。

8. 当前研究和未来方向

8.1 高分辨率成像

像 阿尔玛， 詹姆斯韦伯太空望远镜以及大型地面望远镜（配备自适应光学系统）穿透原恒星周围的尘埃茧，揭示盘面运动学、外流结构以及分子云中最早的碎裂过程。灵敏度和角分辨率的进一步提升将加深我们对恒星诞生过程中小尺度湍流、磁场和盘面过程如何相互作用的理解。

8.2 详细化学

恒星形成区域拥有复杂的化学网络，形成诸如复杂有机物和生命起源前化合物等分子。通过观察亚毫米波或射电波谱中的这些谱线，天体化学家可以追踪致密核心的演化阶段，从最初的坍缩到原行星盘的形成。这与行星系统如何聚集其初始挥发性物质的谜题息息相关。

8.3 大尺度环境的作用

星系环境——旋臂激波、棒驱动的内流，或星系相互作用引起的外部压缩——能够系统性地改变恒星的形成速率。未来将结合近红外尘埃测绘、CO线通量和星团群的多波长巡天观测，揭示分子云的形成及其随后的坍缩在整个星系尺度上是如何进行的。

9. 结论

分子云坍缩 是 关键的起点 在恒星生命周期中，将寒冷、尘埃的星际气体转化为 原恒星 这些粒子最终会引发聚变，使星系富含光、热和重元素。从分裂巨型云层的引力不稳定性，到盘状吸积和原恒星外流的细节，恒星的诞生是一个由湍流、磁场和环境塑造的多尺度、复杂的过程。

无论是孤立形成还是在密集的簇内形成，从 核心坍塌 到 主序列 构成了宇宙中所有恒星形成的基础。理解这些早期阶段——从微弱的 0 个光源到明亮的 T 陶里或赫比格 Ae/Be相——仍然是天体物理学的核心研究方向，它依赖于先进的观测和复杂的模拟。分子云和原恒星连接着星际气体和完全形成的恒星，阐明了维持星系生存的基本过程，并为行星（以及潜在的生命）在无数恒星宿主周围出现铺平了道路。

参考文献及延伸阅读

  1. Blitz，L.， & Williams，JP（1999）。 分子云的起源和演化。 在 原恒星和行星 IV （Mannings, V.、Boss, AP、Russell, SS 编），亚利桑那大学出版社，3-26。
  2. 麦基，中锋， & Ostriker，EC（2007）。 “恒星形成理论。” 天文学和天体物理学年度评论， 45，565–687。
  3. 安德烈，P.，迪弗朗西斯科，J.，沃德-汤普森，D.，等人。 （2014）。 “从丝状网络到分子云中的致密核心。” 原恒星和行星 VI，亚利桑那大学出版社，27-51。
  4. Elmegreen，BG（2002）。 “交叉螺旋波中的恒星形成。” 《天体物理学杂志》， 577，206–210。
  5. Jeans, JH (1902)。 “球形星云的稳定性。” 英国皇家学会哲学汇刊A， 199，1–53。
  6. Crutcher，RM（2012）。 “分子云中的磁场。” 天文学和天体物理学年度评论， 50，29–63。
  7. 舒，F.，亚当斯，FC， & Lizano，S.（1987）。 “分子云中的恒星形成：观察和理论。” 天文学和天体物理学年度评论， 二十五，23–81。
  8. Lada，CJ（1987）。 “恒星形成——从 OB 星协到原恒星。” 国际天文学联合会研讨会， 115，1–17。
  9. Zinnecker，H.， & Yorke，HW（2007）。 “了解大质量恒星的形成。” 天文学和天体物理学年度评论， 45，481–563。
  10. 肯尼卡特，RC， & Evans，新泽西州（2012 年）。 “银河系和附近星系中的恒星形成。” 天文学和天体物理学年度评论， 50，531–608。

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