这一篇,我们要钻进北美洲星云的“内部世界”,去看:
暗星云里的“恒星胚胎”如何从尘埃中“破壳而出”;
电离气体如何被年轻恒星的“呼吸”(星风)雕刻成“宇宙雕塑”;
星云的物质如何在“恒星诞生→死亡→回馈”中循环,成为下一代天体的原料;
它与周围天鹅座分子云的“共生关系”,如何维持着持续的恒星形成。
这不是对一颗星云的“描述”,而是对宇宙恒星形成机制的“现场直播”——北美洲星云,就是我们的“宇宙实验室”。
一、暗尘埃里的“恒星幼儿园”:LDN 935的恒星诞生记
北美洲星云的“墨西哥湾”是一片暗星云(编号LDN 935),它是星云的“负片”,也是“恒星的产房”。这片暗星云由氢分子(H?)和星际尘埃组成,密度是周围气体的10-100倍,温度仅约10开尔文(-263℃)——比宇宙微波背景(2.7开尔文)只高一点,像宇宙中的“大冰箱”。但正是这份“寒冷”与“致密”,让分子云得以坍缩,孕育新的恒星。
1. 从分子云到原恒星:坍缩的“多米诺骨牌”
恒星诞生的起点,是分子云核心的引力坍缩。当某个分子云核心的质量超过“金斯质量”(Jeans Mass,约103倍太阳质量),引力就会战胜内部压力(来自气体热运动和磁场),开始向中心坍缩。这个过程像“滚雪球”:核心越缩越小,密度越来越高,温度逐渐上升(从10开尔文升到100开尔文,再到1000开尔文)。
用斯皮策空间望远镜的红外光谱仪观测LDN 935,我们能看到核心的“升温信号”:红外辐射的强度随波长变化,符合“尘埃加热模型”——温度越高,尘埃发出的红外光波长越短。其中一个名为IRS 1的核心,温度已经达到300开尔文(27℃),接近水的冰点,说明它正在进行剧烈的坍缩。
2. 原恒星的“婴儿装备”:吸积盘与喷流
当核心坍缩到约0.1倍太阳质量时,中心会形成一个原恒星(Protostar)——它还不是真正的恒星,因为还没启动氢核聚变,但已经能发出强烈的红外辐射。原恒星的周围,会形成一个吸积盘(Accretion Disk):从分子云落下的物质,沿着自转轴旋转,像一个“旋转的面条圈”,逐渐落到原恒星表面。
吸积盘的作用有两个:一是为原恒星“补充燃料”,让它继续增长;二是通过磁制动(Magnetic Braking)减慢原恒星的自转,防止它因转得太快而“散架”。用ALMA射电望远镜观测LDN 935中的原恒星HD IRS,我们能看到它的吸积盘直径约100天文单位(相当于太阳到冥王星的距离),厚度约10天文单位——像一个“薄饼”,中间有一个“洞”(由原恒星的喷流清理而成)。
更有趣的是喷流(Jet):原恒星通过吸积盘的磁轴,将高速粒子流(速度达100-500公里/秒)喷向太空。这些喷流像“恒星的婴儿奶嘴”,将多余的物质和角动量喷出去,防止原恒星因吸积过多而变成褐矮星(质量介于行星和恒星之间的天体)。哈勃望远镜的近红外照片里,能看到HD IRS的喷流:两条明亮的“丝带”,从原恒星两侧延伸出去,长度达10光年,末端有激波加热的气体云,呈现蓝色。
3. 行星的形成:尘埃盘的“缝隙游戏”
吸积盘不仅是原恒星的“燃料库”,更是行星的诞生地。盘中的尘埃颗粒(直径约0.1微米,像烟雾中的碳粒)会通过碰撞黏合(Collisional Growth)逐渐变大:先形成毫米级的“星子”(Planetesimal,像小行星),再变成数百公里的“原行星”(Protoplanet),最后清理掉轨道上的剩余物质,形成像地球这样的行星。
JWST的近红外相机(NIRCam)对LDN 935的观测,首次捕捉到了这个过程的“现场”:在一个名为IRS 4的原恒星周围,吸积盘上有一个宽约20天文单位的缝隙——这是正在形成的原行星清理轨道的直接证据。缝隙边缘的尘埃更密集,说明原行星正在“吞噬”周围的物质。更令人兴奋的是,这个原行星的质量约为木星的1/10,已经足够用引力“梳理”轨道了。
天文学家计算过:LDN 935中,每100万个立方厘米的气体,就有一个正在形成的原恒星——这比银河系平均水平高10倍,说明这里是恒星形成的“热点”。未来,这些原恒星会逐渐长大,变成O型或B型星,它们的紫外线会电离周围的气体,成为北美洲星云的“光源”。
二、电离气体的“动态雕塑”:HⅡ区的形成与演化
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