径直落入的难题
在前两篇里,你看着一团巨大分子云内部又冷又暗的小块,输掉了对抗自身重量的那场较量,开始了一场失控的[[gravitational-collapse|引力坍缩]]。人们很容易把它想象成气体径直地朝中心一个点落下,越挤越紧,直到一颗恒星被点亮。可大自然几乎从不允许这种事发生——原因,是一个你在研究轨道时早已遇到过的守恒量。
真实云团里的每一小块气体都在转动,哪怕只是微乎其微。你之前遇到过的那种湍动、翻滚的气体——[[interstellar-turbulence|星际湍流]]——保证了没有哪一份气体是绝对静止的;它总带着一点残余的转动。这份转动由它的[[orbital-angular-momentum|角动量]]来度量,而角动量是守恒的——在没有外来扭转的情况下,一个旋转的系统根本无法把它交出去。这正是让旋转中的花样滑冰者一收手臂就转得更快的同一条定律:缩小半径,转速就必须加快,好让总量保持不变。
云为何摊平成盘
气体是这样逃出自己困境的。引力在每个方向上均匀地往里拉,可自转只在*侧向*——也就是横跨转动的方向上——抵抗坍缩。沿着云自转所绕的那根轴,没有任何东西托住气体,于是它自由下落,云从上到下塌得很快。然而在赤道外缘,一份向里下落的气体会像花样滑冰者那样越转越快,直到它的侧向运动快到足以把自己维持在一条圆轨道上。它便在那里停住,再也无法往里多落一分。结果是注定的:云从一个团块被压扁成一张薄薄的、旋转的薄饼。
那张薄饼,就是一张[[protoplanetary-disk|吸积盘]]——一圈绕着致密中心团块旋转的、由气体与尘埃构成的扁平蓄水池。盘的每一道圆环都像行星那样绕行,内圈比外圈扫得更快,正如水星绕太阳要比海王星跑得快。关键在于,这张盘不只是一座关押气体的围栏:它是化解角动量难题的那条传送带。在盘内,相邻的圆环通过摩擦与缠结的磁场彼此摩擦,这种摩擦把角动量缓缓地往*外*拖。内圈的气体被夺走了原本托住它的那份自转,终于能向里盘旋、堆到中心去;而外盘里一小部分气体则把多出来的自转带走。
原恒星:在黑暗中长大
在盘的中心,那些设法落进来的气体堆成一个又密又热的球:一颗[[protostar|原恒星]]。最常让人吃惊的一点就在这里——这个天体确实发光,但按本来的意义它*还不是一颗恒星*,因为它的核心里没有任何东西在聚变。那它的光从哪儿来?来自下落本身。每一克掉到原恒星上的气体,都把它俯冲的能量换成了热,就像一块落下的石头会把它砸中的地面捂热一样。这份引力能的释放,正是让一颗原恒星发光的原因,而且它能在聚变还来不及插嘴之前,就发出相当明亮的光。
原恒星靠吸积长大——从盘里漏斗般送进来的气体,一圈接一圈地稳稳给它的质量添砖加瓦。可这一切,你在普通的可见光里一点都看不见。整个施工现场都埋在云剩下的包层里,那是一团又厚又浓的气体与尘埃颗粒之雾,把可见的光辉完全吸了个干净。不过尘埃并不会把那份能量毁掉;它把能量吸收、自己变暖,再以波长更长的红外光重新辐射出来,而红外光能从这片混沌中溜出去。这正是为什么红外望远镜对这门学问是一场革命:它们让我们得以直直望进多尘的摇篮,看着恒星被一点点装配起来,而肉眼在那里只看见黑乎乎的一团。
一对喷流:云的回击
现在轮到最壮观的一幕。原恒星一边进食,却并不安安静静地把这顿饭咽下去——它从自己的自转两极射出两束狭窄、方向相反的气体喷柱,笔直地冲出去,速度可达每秒数百公里。这一对喷柱,便是[[bipolar-outflow|双极外流]],也是一颗恒星正在暗云内部诞生的、最可靠的指纹之一。
一颗正在成形的恒星,整桩工程都是为了把物质聚拢进来,为什么反倒要把物质往*外*扔?因为这些喷流,正是让它能够长大的同一套机器的一部分。还记得那道角动量难题吗:盘必须把自转往某处倾倒,气体才能不断落进来。穿过内盘、被拧紧绞起的磁场,像一只投石索那样运作,把一小部分气体沿两极甩回外面去——而这些逃逸的气体,带走了一大笔不受欢迎的角动量。这些喷流,实际上就是吸积引擎的排气管。它们非但不与流入相矛盾,反倒正是流入得以*成立*的前提。
当一束喷流撞进周围的云时,它把气体撞得够狠,足以将其加热、点亮,刻出一团团发光的结与弧,称为[[herbig-haro-object|赫比格–哈罗天体]]——那是一道道美丽如花边的激波锋面,标记着喷柱正往黑暗里犁进的地方。等到多尘的包层稀薄到这个年轻天体能在可见光里探出头来时,它呈现为一颗忽闪不定、仍在收缩的[[t-tauri-star|金牛T型星]],那是后面一篇的主角。在一团暗云里逮到一道赫比格–哈罗激波,或一股双极外流,你就当场逮住了一颗正在被造出来的恒星。
它究竟何时才成为恒星
在这一切的过程里,原恒星一直只靠落入的能量发光。把一颗原恒星与一颗真正的恒星分隔开的那条线,是一条尖锐而实在的界线:就在它的核心变得又热又密、以至于氢核开始聚变的那一刻。这道门槛很陡。核心必须达到大约一千万开尔文,[[thermonuclear-fusion|热核聚变]]才能压过原子核之间的电斥力、被点燃起来——而只有一团足够大质量的气体,才挤得动它的中心、把它压到那个份上。下落造好了这座熔炉;聚变,才是终于在炉膛里点起来的那团火。
collapse -> spin-up -> disk forms -> accretion onto core
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gravitational energy = heat = light
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core reaches ~10,000,000 K -> HYDROGEN FUSION IGNITES
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a true STAR
too little mass ( < ~0.08 solar masses ) -> fusion never lights
-> a BROWN DWARF这道门槛,也正是这一阶里那个大问题开始有答案的地方。如果一块坍缩的碎片最终落到了太阳质量约百分之八以下,它的核心便永远越不过那条点火线。它会靠残余的热发一阵子光,然后慢慢黯淡下去——成为一颗[[brown-dwarf|褐矮星]],一颗差一点就成了的星。大自然造出的轻量级团块,远比重量级的多得多,这便是为什么小质量恒星的数目远远压倒巨星的第一条线索。完整的账目——初始质量函数——是后面几篇的活计;在这里,只需记住这样一幅图景:有一条点火线,有些团块越得过去,许多团块越不过去。