恆星的形成

William Liou

發佈於經濟、科學、歷史發展新天地

更新於 2025/03/17發佈於 2022/03/18閱讀時間約 5 分鐘

從人類出現以來，白天的世界是太陽主宰，入夜後則是星星與月亮的天下，相對於有限的人類生命，這些天體似乎是永恆的，在很多文化中也被神格化，認為天體是神靈的化身，直到近代天文學與物理學的發展才逐漸揭開它們的真面目，現在我們來揭開它們的神秘面紗。

先從分子雲談起

分子雲是星際雲的一種，主要是由氣體和固態微塵所組成。其規模沒有一定的範圍，直徑最大可超過100光年，總質量可達太陽的 106 倍。

氫分子（H2）是分子雲中最普遍的組成物質之一。根據估計，每 1cm3 的分子雲內大約有 104 個氫分子；而在物質較密集的區域（如分子雲的核心），1cm3 內的氫分子則約有 105 個。除了氫以外，分子雲內亦有不少經由核融合合成出的元素。

氫分子很難被直接偵測到。通常是利用一氧化碳（CO）偵測氫分子。一氧化碳輻射的光度與分子氫質量的比例幾乎是常數。不過在對其他星系的觀測中有理由懷疑這樣的假設。

在銀河系中，分子氣體在星際物質中佔不到百分之一的體積，但它依然是在太陽環繞銀河中心公轉軌道以內最密集，並且佔有大約一半質量的氣體。這些分子氣體大多在距離銀河中心3.5至7.5千秒差距(1秒差距=3.26光年)的環形區域中（太陽距離中心大約是8.5千秒差距）。對本星系的大尺度一氧化碳成圖表明，這種氣體出現的位置和本星系的旋臂相關。這些分子氣體主要出現在旋臂上，表明分子雲形成和消散的時間應該少於一千萬年，因為這是物質穿越旋臂所要花費的時間。

在垂直方向上，分子氣體位於厚度大約在50–75秒差距的狹窄的銀河盤面中層，比同屬於ISM的溫暖的原子雲（Z=130-400pc）和熱的游離氣體（Z=1000pc）薄許多。在游離氣體的空間分布中，氫游離區的分布是一個例外。氫游離區是在分子雲中被年輕的大質量恆星強烈輻射激發所形成的熱離子氣泡，在垂直方向上分布的厚度與分子氣體相近。

分子氣體的在大尺度上的分布是平滑的，但小尺度上的分布極不規則，大多集中於孤立的分子雲和分子雲複合體之中。

那為什麼要先介紹分子雲呢？因為截至目前的觀測中，恆星都是在較為濃密的分子雲中生成的，接下來言歸正題，談恆星是如何形成的。

藉由吸積累積質量

在這些大型的分子雲中有較為稠密的區域，稱為暗星雲或包克球，通常質量約為2至50太陽質量，包含在大約跨越一光年左右的區域內。它們含有分子氫（H 2 ）、碳氧化物和氦，以及約1%（按質量計）的矽酸鹽粉塵。

而這些較為稠密的區域會逐漸地以片段的方式因重力作用而坍縮並吸積，逐漸形成核心與吸積盤，當溫度和密度夠高時，氘的核融合將會被引發，並產生向外的壓力，結果將使崩潰減緩（但不會停止），而由雲氣組合成的物質仍繼續如雨般的落在原恆星上。在這個階段，或許是由落入物質的角動量造成的，將會產生雙極噴流。最後，在核心的氫開始融合成為恆星，這時，還環繞在周圍的物質將開始被驅離。

以上符合低質量恆星形成的理論，在大量觀測的支持下，建議低質量恆星是轉動的分子雲因密度逐漸升高而造成重力塌縮下形成的。從上面的敘述，氣體和塵埃組成轉動中的分子雲，因塌縮導致吸積盤的形成，經由這個通道質量在中心形成原恆星。

因為質量大的恆星輻射出大量的輻射，會推擠向中心掉落的物質。在過去，輻射壓被認為是足以阻止質量累積成為巨大的原恆星，並能阻止質量高達數十個太陽的恆星形成。近年中研院天文及天文物理研究所博士後研究呂浩宇所領導的團隊，根據ALMA觀測結果顯示，這些大質量星團的母分子云極有可能發生整體性的重力塌縮，使分子云的中心因爲殘餘的角動量，形成尺度約3光年、扁平緻密的大質量盤狀氣體結構，孕育大質量恆星的大質量分子核就位於該盤狀結構的中心部位。而高密度的盤狀結構形成旋臂後進一步塌縮，變成圍繞中央的衛星大質量分子核(satellite cores)，盤狀氣體結構受自身的高密度屏蔽，不易在初形成時受到恆星風以及紫外輻射的破壞，這就是大質量恆星可以繼續形成的關鍵。