重力是如何影响恒星的形成的？ 第1页

分子云坍缩成为恒星的过程中，重力自然起到了决定性的作用。但是，还有一个不得不考虑的重要因素就是磁场。事实上，科学家在研究恒星成因时所遇到的最大困难就是解释原恒星的单位质量角动量(J/M)与磁通量都比分子云核要小得多这一问题。因为根据角动量与磁通量守恒，这意味着要想形成恒星就必须要提供一个可以丢掉分子云核所具有的巨大角动量与磁通量的机制。

要弄清这个谜题最简单的手段就是直接用望远镜观察恒星是如何形成的。但遗憾的是这条路是行不通的：我们无法观测到恒星诞生的过程。

有朋友可能要发问了，人类现在的技术不是已经可以观测到几十亿甚至上百亿光年外的宇宙空间了吗，在那么广阔的时空里难道还找不到分别处于形成期的各个阶段的恒星吗？

恒星诞生于被称为分子云核的气体团已经是不争的事实。至今为止已经直接观察到了很多恒星诞生前的分子云核与刚诞生的原恒星。但是，恒星诞生的瞬间却从未被观测到过。这是因为恒星诞生的现场被浓密的暗云(dark cloud)笼罩，无论用什么样的望远镜都无法观测到暗云内部的状况。因此，要想理解恒星到底是如何形成的，就必须结合物理理论与计算机模拟来进行预测与验证。

首先，我们从观测入手来看看恒星形成过程中的一些已知的现象。

外流（outflow）与喷流（jet）

外流与喷流是在对恒星形成的观测中发现的一种普遍现象。恒星的形成伴随着两个成分的流动：分子外流与光学喷流。其中，外流的速度较慢（~10km/s）且具有很广阔的扩散角。而喷流则呈高速（~100km/s），只有非常狭窄的扩散角，被外流包围。这种流动的特点是驱动领域很小，可能仅为0.01AU，但延展范围却可达1pc以上。外流与喷流驱动的原理分别是什么？哪一个掌控主导地位？这些都是解决角动量转移的关键。以下是一些实际观察到的外流与喷流的图像。

星周圆盘

迄今为止的大量无线电及红外观测结果表明，刚诞生不久的年轻恒星的周围普遍会环绕着一个与外流和喷流方向相垂直的螺旋状“星周圆盘”。这些星周圆盘中既有气体又有尘埃粒子的成分。主流研究认为包括太阳系在内的行星的起源就来源于这些星周圆盘，因此这些圆盘又被称为“原行星盘”。

观察发现随着年轻恒星的成长，这些圆盘的质量平均都在减小。这意味着需要一个解释圆盘的气体向星核流入(吸积)的机理。为了使这种质量的流入成为可能，需要一种在圆盘内可以传输角动量的机制。目前，对于单星周围的原行星盘，伴随磁场的湍流是一个十分有效的解释。

以下为成长阶段、观测波长、空间分辨率各不相同的一些星周圆盘的实际观测图像。

磁感线

主要为从偏光观测推测的磁场构造。虽然在小尺度上很难从偏光推测出磁场的形状，但从大尺度来看，磁场显然具有沙漏的形状，这也是分子云核发生重力坍缩的证据。另外，外流的磁感线（极向、环向都有）也是重要的观测证据。

联星形成、行星形成

观测结果表明，恒星作为联星诞生也是一种普遍现象。主序星的60-80%、原恒星的80-90%都为联星或多重星。Fig 16.就是观察到的一个刚诞生的联星系统。单一的分子云核是如何分裂产生联星的？长周期与短周期联星的形成过程分别是怎样的？这些都是研究恒星诞生中的重要课题。

另外，恒星的诞生过程往往还伴随着行星的诞生。Fig 17. 就是还十分年轻的主序星北落师门（Fomalhaut，南鱼座α星）周围的行星“北落师门b”在2004年和2006年分别拍摄到的位置。

以上就是我们现在已经拥有的观测信息。要想还原恒星形成的过程就要利用这些信息建立理论并实际在电脑上模拟来判断理论是否合理。以下稍微详细地说明一下近年对恒星形成模拟的一些研究。

“角动量转移”与“磁场耗散”的理论模型

这里先对恒星形成过程最重要的角动量转移模型与磁场耗散进行一下具体的说明。

初期的二维轴对称流体模拟无法解决“角动量问题”，而考虑了自身重力的三维流体模拟则在一定程度上得到了解决^[1]。简单说来，在离心力的作用下，首先变为圆盘状，而圆盘的吸积作用获得的巨大质量会导致引力不稳定^[2]，形成非轴对称的旋臂。介由这个悬臂形成的自身重力矩使角动量向外侧输送，而中心附近的气体因失去角动量于是就可以在中心部形成恒星了。在这种情况下，获取了角动量的气体则向外侧扩展，最终形成与初期过程相比大数百AU规模的圆盘。但是，当用流体力学模拟的结果与使用射电望远镜对仍掩埋在分子云核内（Class-0或1阶段）的原恒星观测相对比，却发现大多数的天体并没有附带这样巨大的圆盘^[3][4]。因此，至少在恒星形成的初期阶段还需要一个更强力、让圆盘停留在一个小尺寸的角动量转移机制。

从2000年左右开始，多维的磁流体计算成为了可能，这让科学家意识到恒星形成领域中普遍存在的磁场可能起到了重要的作用^[5][6]。磁场就像是捆在圆盘上的橡皮筋一样，施加给旋转的圆盘一个往回拧的力，起到制动作用。同时，沿着旋转的磁感线，气体被离心力加速（即磁离心力）就会形成“外流”(outflow)，而这个外流也会从圆盘有效率地带走角动量。这种由磁场转移角动量的过程十分高效，可以解决角动量问题。而且模拟出来的初期过程的圆盘尺寸也会很小，与观测的结果具有整合性。但是，引出的新问题是：由于磁场传输角动量的效率太高，导致圆盘形成变得困难，这就是所谓的Magnetic Braking Catastrophe（磁制动问题）^[7][8]。这同时意味着圆盘分裂形成联星也变得困难^[9]（之前说到，实际的观测表明恒星的形成多数都会带有星周圆盘或行星的形成，且形成的恒星也多为联星^[10]）。这一深刻的问题是近年在恒星形成领域中的一个重要课题。

当然，对这个问题目前也已经有很多解决的手段了。例如，由于恒星形成过程的气体密度极高且为低温，因此其电离度很低，会有很强的非理想磁流体效果。这时，欧姆耗散（通常的电阻）与双极性扩散（带电粒子与中性粒子的相互作用变弱，气体的运动与磁场分离的现象）通过将磁场从高密度领域抽出，就可以抑制磁场的角动量输送让圆盘的形成变为可能^[11][12]（Fig 18）。由于非理想磁流体效果只在高密度领域才能起到很大的作用，恒星形成过程初期或分子云核外侧的大规模区域的磁场角动量输送仍然强大。结果是初期形成的圆盘虽然会很小，但之后因吸积周围具有大角动量的气体仍然会成长。另外，非理想磁流体效果中的一种“空穴现象”会根据磁场方向的不同，既可能促进也可能抑制圆盘的旋转，造成圆盘的尺寸有大有小的两极化结果^[13][14][15]。除此之外还有诸如磁场与角动量方向的偏离^[16]、湍流的效果^[17][18]等抑制角动量转移的研究。这些机理之间并不一定都是矛盾的，而可能是在实际恒星形成环境下发挥协同效果。可以说这些研究让磁制动问题基本得到了解决，至少来说已经不是星周圆盘无法形成那么深刻的问题了。

ALMA对年轻原行星盘的观测

前面的内容对恒星和星周圆盘形成的重要过程角动量转移等关联问题进行了说明。理论上的剧本虽然已经写好，但恒星实际形成时什么物理过程在什么阶段以怎样的规模如何运作、圆盘又是什么时候形成怎样成长的，这些具体的内容还必须要与实际观测相比较。为此，需要对原恒星，特别是对气体还在沉积的成长中的年轻原恒星与圆盘进行观测。直到近年，这样的观测都几乎是不可能的，幸运的是现在使用以ALMA为首的先进装置已经可以在以往没有的灵敏度与分辨率下对各种星周圆盘的样子进行观测了。即使是在 Class-0阶段隐藏于浓厚分子云核中的年轻天体，如L1521F-IRS就是一个在进化十分初期阶段的天体。ALMA观测发现这个天体具有外流与弧形的气体流等非常复杂的构造，并正在形成复数的恒星^[19]。其中的一个用更高分辨率进行观测时发现了半径仅为10AU左右的非常小的圆盘^[20]。另外一个成长阶段Class-0/I 名为 L1527-IRS天体则观测到了半径60 AU左右的圆盘^[21]。除此之外，即使成长阶段为Class-0的天体中也有半径200AU以上的大圆盘状构造，如正分裂形成联星的L1448 IRS3B28等例子。对这种年轻星周圆盘的多样性的起源目前还不明确，期待今后通过进一步观察判明圆盘的成长阶段与环境、初期条件等关联。另一方面，在成长阶段Class-II（分子云核几乎消失，已经可以看到中心星）的天体很多都拥有成长至半径100AU至数百AU的圆盘。这些观测与星周圆盘刚形成后尺寸很小，但伴随吸积过程逐渐成长变大的理论描述具有整合性。

恒星形成的阶段及模拟（例）

恒星形成的过程在大尺度上可分为前期和后期两个阶段。前期为气体的坍缩到原恒星形成的阶段。后期为气体的下落（吸积）与原恒星成长为主序星的阶段。

而前期阶段，即原恒星的形成过程又可以按照下图分为“等温坍缩期”“绝热吸积期”“第二坍缩期”“原恒星形成期”的四个时期。可以看出，分子云在最初的坍缩期会先形成一个初始的“第一核”。第一核的数密度约为 、半径不超过1AU、Jeans质量约为0.01个太阳质量；而前期H2解离结束后最终形成的原恒星（第二核）的数密度可达 、半径仅为0.01AU级别、Jeans质量约0.001个太阳质量。

除了两个核，上图还有一个重要信息就是两个“坍缩期”，这就和题主的问题相关了。分子云是在什么情况下发生坍缩的呢？我们主要需要考虑的是以下两个作用力：重力与分子云流体形成的压力梯度。坍缩发生的条件是重力大于压力梯度。由下式计算出的结果是：比热比 。而从上图中我们知道恒星形成的实际过程中绝热吸积期（）和原恒星形成期（）的 是大于 的，因此这使整个过程被分割为了两个坍缩期（等温坍缩期+第二坍缩期）。

等温坍缩期

等温坍缩期主要是建立在“自相似解”的概念上的（不同参数的解在适当的规格化下回归到一个无量纲量的解）。根据Larson（1969）的计算，重力坍缩成分子球的过程在以下的相似坐标下密度分布相等，即拥有相似解。

在自相似解前提下，只有坍缩中心的信息是重要的，而初期的条件无论怎样（对初期的密度、速度・磁场分布都不依存），都能实现同样的密度分布。

于是，在多维计算的初期条件与基础方程下，下图的Bonnor-Ebert球模型就建成了。Bonnor-Ebert球是由重力与压力梯度得到的平衡解。无论怎么样的初期条件下，形成过程都不会改变。事实上，观测的分子云核也与Bonnor-Ebert球模型十分一致。

从等温坍缩到原恒星的形成

我们先来看一下整个过程的模拟图。

这里要关注的一对信息是：坍缩与旋转（暂且不考虑磁场）。

事实上，即使考虑旋转，等温收缩的结果是仍是分子云核发生圆盘状坍缩的自相似解（而不会分裂）。

在旋转的情况下，等温期继续发展（由球对称坍缩转化为圆盘坍缩）的条件如下。

但在绝热吸积期则不存在这样的坍缩解，旋转的效果会导致一个非线性的可导致分裂or形成螺旋构造的结果（需进行数值模拟），这是是否形成联星的关键。模拟结果表明，在绝热吸积期，只要满足以下条件一定会发生分裂产生联星或者多重星（可以看出这个条件只是达到考虑旋转的自相似解而已）。这种情况形成的联星间的距离约~100AU（典型值）。

然后我们将磁场也加入考虑范围。

首先是等温坍缩期。与刚才一样，即使同时考虑旋转与磁场也存在发生圆盘状坍缩的自相似解（即B与Ω收敛为一定的值）。而在绝热吸积期，坍缩会一时停止。此时，旋转时间尺度小于坍缩时间尺度，磁感线扭转导致前面说过的“磁制动”与“磁离心力风”的发生。

综上，即使在多维下，分子云的进化也只有一个参数：B/Ω（= ）。当 时，磁场优势，此时主要为外流主导的角动量转移，不发生分裂；当 时，旋转优势，此时外流很弱，分裂导致角动量转移（轨道角动量）。也就是说，等温坍缩的解收敛导致在之后的发展过程不会受初期条件的影响。可以说前期阶段的星形成过程具有一意性（只用一个参数就能表述）。

磁场的耗散：从绝热吸积期到第二坍缩

磁场耗散主要发生在这个阶段。在之前的角动量转移与磁场耗散模型一段中已经对欧姆耗散的原理进行了说明，下图就是一个更加明确化的示意图。

由于气体电离度很低（弱电离等离子体），在从绝热吸积期到第二坍缩过程中磁场会像如下所述发生耦合→解耦→耦合的变化。解耦就是欧姆耗散的过程。

・低密度( ): 电离度低( )，但 ⇒ 耦合

・中密度( ): 电离度更低 ⇒ 欧姆耗散 ⇒ 解耦 (磁场耗散)

・高密度( )：部分金属离子化 ⇒ 电荷上升 ⇒ 耦合

通过这样的模拟，可以说在理论上对磁通量及角动量的转移过程已经得到了解决。

第二坍缩期的分裂与联星形成

第二坍缩期与断热吸积期一样不存在自相似解，因此在这个阶段也可以发生分裂。与前述同样，旋转促进分裂，磁场抑制分裂（角动量传输），且联星形成的条件可仅有一个参数描述，即磁能/旋转能。

原恒星形成期：高速喷流（jet）的出现

第二坍缩期结束后，原恒星正式形成。此时旋转的时间尺度小于收缩的时间尺度，驱动喷流产生。此时，由于磁耗散导致磁场已经变弱，因此不会出现磁离心风。喷流的驱动是由磁感线的扭转导致的磁场梯度力产生的。深深的重力势能转化为高速的流动让角动量得到了转移。

两种流动与出现时期

现在我们知道，恒星的形成过程会产生外流与喷流两种流动。两种流动的驱动体、速度与形成机理各不相同。外流的驱动体是第一核，喷流的驱动体是原恒星（第二核）；外流速度较慢，喷流速度较快（不同的重力势能⇒出现场所的开普勒速度）；外流由磁离心力风驱动，喷流由磁场梯度力驱动。这些不同可以由下面这张简单的示意图来描述。

好了，我们再来回顾一下恒星形成的整个前期过程，现在是不是要明朗许多了呢。

各个时期的状态与特点如下：

□ 等温收缩期（ ）

➢ 坍缩为相似解，并遵循解发展

➢ 即使考虑旋转与磁场也存在自相似解

□ 绝热吸积期（ ）

➢ 第一核形成

➢ 坍缩一时停止，因气体向核落下，中心密度平稳增加

➢ 旋转时间尺度 气体坍缩时间尺度 ⇒ 分裂，形成联星

➢ 磁感线扭转 ⇒ 外流（outflow）

□ 第二收缩期（ ）

➢ 坍缩时间尺度短

➢ 但是，因为不存在 的旋转解，偶尔会发生分裂，形成密近联星

□ 原恒星形成期（ ）

➢ 原恒星诞生

➢ 磁感线扭转导致喷流（jet）驱动

虽然以上用了很大的篇幅来讲述恒星形成的过程，但其实也仅仅涉及到了前期（分子云→原恒星）的阶段。当然，由于前期阶段是很难直接观测的，所以最困难的研究也基本集中在前期阶段。而后期阶段（原恒星→主序星）涉及的内容主要是圆盘形成与消散、气态行星形成、主序星形成等内容。年轻阶段的圆盘因重力不稳定形成行星是主流理论，而磁场在后期阶段也会发挥重要作用。等以后有机会再寻找合适的提问针对后期阶段进行回答。

总结

恒星的形成从根本上来说就是重力坍缩时扔掉多余角动量与磁通量的过程

➢ 引力的能量变换为磁能与outflow的动能 ⇒ Outflow的气体放出⇒ 因核心的重力小于压力梯度力造成包层逸散 ⇒ 恒星成长结束

➢ 扔掉多余角动量：磁制动 ⇒ outflow ⇒重力不稳定 ⇒ jet

➢ 磁场的耗散（欧姆耗散）导致旋转圆盘形成

➢ 是否形成联星由磁场与旋转的平衡决定。旋转促进分裂，磁场抑制分裂（角动量传输）

参考

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