恒星的童年(下)

　　前主序星 　　 　　典型稠密核的质量一般都大于恒星的质量。因此，一定有某种机制可将多余质量扫走，并阻止质量不断由外面流入。大部分天文学家现在相信，在原始星球表面会喷出强烈的星际风，可以将流人的质量吹走，慢慢地驱散整个稠密核。星际风的想法并不是来自于理论的计算，由于广泛地观测到分子云从红外线源流入的现象，因此构想原始星球上也会有类似太阳风的现象。这种星际风尚未直接观测到，但它一定比主序星所喷出的星际风强。 　　当稠密核被吹散后，暴露出来的物体能用可见光观测，称为前主序星。像原始星球一样，前主序星也非常亮，同样地，重力是造成强亮度的主因：星球内部的压力，使得星球不会有自由落体般的收缩，而维持此压力的热量从表面辐射出去，就造成了星球非常亮，而收缩却很缓慢。 　　前主序星也像原始星球一样处于对流不稳定，但是它的物理机制却不相同。一般而言，当星球温度由中心到表面降低得很快时，就会产生对流不稳定。在原始星球中，氘在中心聚变，产生大量的热，造成对流。但当原始星球演化到前主序星，氘已经燃烧殆尽。在前主序星内变化大的温度梯度，主要来自于强烈的亮度。表面大量的辐射散出，造成星球表面冷却，而内部受到物质的隔绝，使得温度维持不变，这种内外温度剧烈的变化，造成对流不稳定。 　　 　　当星球继续演化，亮度逐渐变暗，对流不稳定的区域也逐渐变小，现今太阳对流区域只剩半径的30％，旋涡上上下下地运动，形成太阳表面米粒状的结构。当星球变得更加稠密，它的内部温度逐渐稳定地上升到千万摄氏度。这时氢原子开始聚变成氦，所放出的热量提供足够的压力，使收缩停止，星球便进入主序星的阶段，就如我们的太阳。 　　典型氢聚变反应的星球，大约花3000万年的时间，由原始星球收缩到现在的大小，氢聚变所放出的热量，可使体积维持50亿年不变。 　　 　　Hayashi轨迹与诞生线 　　 　　以上对于星球演化的描述，都与物理理论及现今所知的核反应理论符合，但是理论需要资料的支持，这些资料包括不同阶段星球特性的测量值，最传统的方式是将这些星球资料以图形标示在H-R图上。 　　H-R图是将星球亮度标在纵轴，温度标在横轴上的一种图形，燃烧氢的主序星都落在对角线上。理论计算显示，星球的质量决定它的亮度、温度及在曲线上的位置，这个理论与观测结果相符。天文学家通过测量星球的光度(加上距离)可得到亮度；利用光谱分析可得到表面温度。将一个星球团内所有恒星的亮度、温度画在H-R图上，大部分的星球都落在理论计算的曲线上。 　　因为前主序星比相同质量的主序星亮，它应该落在主序星曲线上方。随着时间进行，星球慢慢收缩，表面积渐渐减少，亮度也随之慢慢减弱。结果造成星球在H-R图上都沿同一路径滑动，天文学家称这路径为“Hayashi路径”。此路径是由日本京都大学的Chushiro　Hayashi在1960年首先提出的。 　　观测我们附近的年轻星团。发现许多星球都坐落在主序星曲线上方，那些接近Hayashi轨迹、质量为一个太阳质量或小于一个太阳质量的星球，称为“TTauri星”。类似于TTauri星，但具有较大质量的星球称为“HerbigAe和Be星”。虽然理论工作者对于许多星球都坐落在Hayashi轨迹上的观测感到高兴，但要证明这些星球确实是沿Hayashi轨迹演化，却是件困难的事。 　　如先前所提，在原始星球内，氘聚变反应提供了一个质量与半径的关系式。利用这一关系式加上Hayashi轨迹，可以预测当星球变得能用可见光观测时时，它们应坐落在另一条曲线上，这条曲线便被称为诞生线。每个星球从此线开始，沿Hayashi轨迹演化到主序星。观测结果可以证实诞生线的构想。 　　1979年柯恩和库伊有系统地出版了上百个T Tauri星的研究。1984年芬肯泽勒和孟特也提出数量稀少的有关Ae、Be星的测量。这些测量的亮度及表面温度在H-R图上都坐落在某一特定曲线附近，而这曲线与理论的诞生线相符合，甚至那些有分子气体向外流动的星球也落在诞生线上。它们在H-R图上的位置，与前主序星开始收缩有关。 　　有人曾预测诞生线与主序星会有交点，根据计算这个交点相当于8个太阳质量。以物理观点，这个发现的意义在于，任何大于此临界质量的星球，即使稠密核还正在收缩，它已经在进行氢聚变反应，因此这些星球没有前主序星的阶段。至今，这种预测似乎都与观测相符。 　　虽然这理论令人振奋，但对许多年轻星球的特性我们仍然不了解其物理意义。比如说，大部分年轻星球有不规则的亮度变化，它们的亮度会有数时至数月的变化周期。T Tauri星的光谱有比同质量的主序星较多的红外、紫外线，但是纽约大学的华尔特却又发现，一些有类似质量及年龄的T 　　Tauri星没有过多的辐射。最后，有许多证据显示：有强烈的星际风，而这星际风可能还是以前星际风的残留物，这强烈星际风相信是结束原始星球阶段的主因。 　　 　　吸积盘 　　 　　描述星球诞生的模型中，有一个重要的副产品，也就是环绕四周的吸积盘。专家相信，这些盘状结构提供行星系统形成的原料。不论是何种过程，当收缩开始进行，稠密核多多少少都会有些旋转，在旋转的核心中，角动量较大的气体位在离旋转轴较远的位置，当收缩的区域向外传播，它会吃掉较远的气体，这些气体便开始向中心掉落，但它并不会撞上原始星球，而是在原始星球四周做轨道运动，形成盘状结构。 　　1976年加州大学洛杉矶分校的伍尔瑞克与1981年美国航空航天局艾美研究中心的凯森和穆斯曼，对向中心掉落的气体会从原始星球移到盘状结构的现象，分别提出数学理论。凯森和穆斯曼首次研究了吸积盘的物理特性，比如说，吸积盘大小及表面温度。不仅这些研究可以解释行星如何形成，而且最近观测证实盘状结构确实存在。 　　1987年，贝克威斯和沙金特观测T Tauri星HLTau附近的一氧化碳谱线，他们认为这谱线来自直径好几个光周的低质量的盘状结构。另一项吸积盘存在的证据比较间接、且具争议性。理论学者认为某些T Tauri星被观测的特性是可以用盘状结构来解释，根据1974年贝尔和普林格尔的原始构想，研究人员大多认为之所以星球有过多的红外线、紫外线，其原因是盘状结构不断将质量传到了星球中心。 　　假如物质想要以螺旋状轨迹掉到星球表面，它一定利用某种方式释放角动量。贝尔和普林格尔假设盘状结构内有某种不确定的摩擦力，当相邻气体相互摩擦，摩擦力会使转速较慢的气体减慢，而逐渐向中心收缩，就像人造卫星的轨道，因为大气阻力而逐渐变小。摩擦造成的热能，形成红外线；紫外线则来自盘状结构与星球之间狭窄、高热的区域，这区域有较强的摩擦力阻止气体的运动。利用这种模型的描述，科学家可以得到许多与T Tauri星符合的现象。即使理论学家多年的努力，但这些模型所需要的内在摩擦力仍然没有令人可信的解释。比如说，计算显示一般分子气体的摩擦力太小，无法有效地使气体掉入星球中心。 　　 　　大自然的蛛丝马迹 　　 　　最近，所有直接或间接的观测都显示：盘状结构的质量只是中心质量的一小部分，也许只有百分之几，或更少。理论学家发现的事实正受到挑战，假如盘状结构是旋转物质收缩而形成，为什么当星球形成后，这过程马上停止?假如的确有星际风将这个收缩阶段停住，这是否表示盘状结构的形成与造成星际风的原因有重要的关连? 　　这些问题仍然没有答案，但是这些未解决的问题通过理论和观测的双重努力，应该是了解整个现象的关键。假如我们能把握住大自然留给我们的线索，便可以连接这些线索，完成关于年轻星球的故事，而大自然所遗留的线索就在我们的头顶上，在清晰的夜空中闪烁着。