新生恒星踢、尖叫并喷射大量气体

恒星在黑暗和秘密中诞生。它们形成于星际气体和尘埃云深处，这些云层如此致密和不透明，以至于可见光无法逃逸，因此它们的诞生一直对我们地球上的望远镜隐藏得很好。天文学家无法穿透这层黑纱，只好根据基本物理原理，自行构建恒星形成的情景。

他们临时编造的故事中的主角是引力：星云中心相对致密的气体团将更多的星云拖曳到自身之上，使中心变得更致密。随着越来越多的气体落入中心，它不断增长，直到达到一定的临界质量并因自身巨大的重量而坍塌。

这种引人入胜的直接“落入”理论已持续数十年，几乎没有任何变化。然而，最近，新一代望远镜（最重要的是哈勃和斯皮策太空望远镜）前所未有的观测，使得这个故事显得越来越简单化。天文学家首次得以一瞥正在形成新恒星的气体云。他们发现的远比他们预期的要复杂和生动。不仅气体向内坠落，而且大量的气体和尘埃也向外喷射，远离新生的恒星。狭窄的气体喷流似乎以极高的速度从恒星摇篮中喷出，并向太空延伸数光年。更值得注意的是，处于诞生阵痛中的恒星似乎也喷出巨大的花生状气泡，称为流出，其质量是我们太阳的100倍。

这些壮观的气体喷发是现代天文学最非凡的惊喜之一。“意识到喷流和流出可能作为恒星形成正常过程的一部分而发生，让所有人震惊，”美国宇航局总部天体物理部门主任乔恩·莫尔斯说。这也给天文学家和物理学家提出了一个令人费解的问题：为什么新形成的恒星会同时吸入物质并将其喷出？

天文学家发现这些现象时并没有刻意寻找它们；相反，他们多年来一直在寻找他们的理论的证实，即恒星确实是由坠落的气体形成的。但是，获得这种观测支持的问题是艰巨的。除了提供原始恒星物质的暗云的不透明性之外，恒星的诞生还会给天文学家留下相当混乱的局面。暗云几乎从不单独存在，通常是更大范围的气体和尘埃复合体的一小部分，这个复合体被称为巨型分子云。这些巨大而动荡的结构跨越数百甚至数千光年。在这样的云中，恒星不断形成，通常一次形成少量，以松散的群组形式存在。这种丰富的活动产生了气体和尘埃的薄雾、团块和结的混乱，这使得地球上的观察者很难进行观察。

从20世纪40年代开始，天文学家乔治·赫比格和吉列尔莫·哈罗一直在系统地梳理这些混乱，寻找落入气体的一些迹象。1951年，一种特殊的碎片引起了他们的注意：发出如此多可见光的明亮气体结，以至于他们不知道如何解释它们。几十年来，天文学家密切观察这些现象，记录它们在天空中的位置。直到1979年，赫比格和几位同事才宣布了他们从观测中得出的戏剧性结论，这使得标准恒星形成坠落理论显得过于简单。这些气体结以每秒超过100英里的速度移动，速度太快，无法由暗云的引力坍缩推动。此外，它们移动的方向是错误的——向外，远离暗云，而不是向内。

在接下来的几十年里，赫比格、哈罗和其他天文学家屡次尝试解释这些明亮气体结（现在称为赫比格-哈罗天体）的性质，但都未能成功。最终，在1980年代后期，新的观测揭示了赫比格-哈罗天体更详细的结构。它们看起来不像气体结，更像是巨大的、独特的斑点，像项链上的珠子一样从暗云中拖曳而出。望远镜显示，串联这些斑点的是更小、铅笔状的明亮气体喷流，正从云中喷出。

这些发现给天文学家带来了比最初观测到的赫比格-哈罗天体更大的难题，因为喷流的几何形状是如此奇特。什么物理学能让一股细长的气体流从基本上呈球状的坍缩气体云中喷射出来？这些喷流从云中延伸超过一光年，同时保持着令人难以置信的狭窄。从尺度上看，它们就像一根花园水管射向天空五英里的一股紧密的水流。

就在天文学家思考喷流的时候，另一个发现进一步加深了谜团。整个20世纪70年代，天文学家一直在研究新的毫米波射电望远镜。由于这些望远镜能够穿透一直隐藏恒星诞生、使其无法直接观测的暗云，研究人员希望它们能揭示落入的气体并证实由来已久的落入理论。然而，它们几乎立即发现了巨大的气体喷发，在形成中的恒星两边膨胀开来，并比喷流延伸得更远。尽管这些双极流出的移动速度比赫比格-哈罗天体慢得多——大约每秒10英里——但它们的质量是喷流的10倍，体积更是大得多。它们也更冷，更古老。通过测量气体的速度及其与源自暗云的距离，估算其年龄是件简单的事。喷流似乎只存在了大约1000年左右，而最古老的流出物已经从新生恒星喷射了10万多年。由于恒星形成只需要10万到100万年，这些流出物似乎在恒星的形成中发挥了不可或缺的作用。

这些喷流就像一根花园水管射向天空五英里的一股紧密的水流。

对科学家而言，没有什么比没有统一原因的各种现象更令人烦恼或更令人兴奋的了。大多数天文学家认为，喷流和流出背后存在一些共同的物理学解释。最自然的解释也是最明显的：喷流在某种程度上为更大、更遥远的双极流出提供了动力。当喷流穿过围绕着新生恒星的云层时，它们或许会卷起气体分子，或者拖曳气体，将其堆积成巨大的花生状流出。这个理论的一个大问题是喷流看起来如此年轻。“这非常令人费解，”莫尔斯说。更令人困惑的是，喷流似乎没有携带足够的物质或力来产生巨大的双极流出。

天文学家着手检验这一理论，寻找另一种测量喷流年龄和大小的方法。研究人员认为，答案可能来自对量子力学和冲击波物理学的分析。冲击波是大自然“刹车”的方式。当超音速流体（例如来自形成恒星的热气体）撞击其路径上的障碍物（例如更老、移动更慢的气体）时，就会发生冲击波。当高速移动的流体原子撞击慢速移动的障碍物原子时，它们会以热量的形式耗散大部分动能。结果，流体经历剧烈减速，温度也随之升高。同时，部分能量被碰撞原子吸收，然后以光子或光粒子的形式重新辐射出去。量子力学定律规定了原子在碰撞中吸收能量或以光子形式损失能量的离散方式。因此，天文学家可以审问光子，以揭示通过喷流中冲击波的气体的基本物理性质，例如速度和密度。天文学家将冲击波发出的光称为“诊断”，并利用光中锁定的信息来推断数千光年外恒星形成流出中的条件。

莫尔斯和其他天文学家利用冲击波的计算机模型对诊断结果进行了详细预测。通过将他们的预测与哈勃太空望远镜测量的实际光线进行比较，莫尔斯得出结论，这些喷流的密度比之前估计的高出100倍。换句话说，这些喷流每天向太空喷射相当于一个木星质量的物质。如果这是真的，那么这些喷流确实以足够的质量和足够的力量产生了远超它们之外的巨大流出。

此外，莫尔斯的观测表明，当来自喷流的快速物质追赶上其路径中较老、较慢的物质时，会形成巨大的流出物。如果属实，这意味着流出物部分由最初属于喷流的较老物质组成，使得喷流比以前认为的要古老得多。“有较老的物质存在，意味着喷流比我们在其最亮的结构中看到的要延伸得远得多，”莫尔斯说。此外，科罗拉多大学博尔德分校的天文学家约翰·巴利发现了一个超喷流——一串长达23光年的赫比格-哈罗天体——他认为其年龄可能达到10万年。莫尔斯相信这些发现确立了喷流与流出之间的明确联系。

气体不是简单地坠入，而是围绕着恒星螺旋盘旋，越靠近中心旋转得越快。

揭示喷流和流出之间的关系只是理解恒星如何形成的第一步。最终目标是解释这些现象在胚胎恒星自身的生命中扮演的角色。然而，在科学家开始提出一种机制之前，他们首先需要理解旧的恒星形成坠落模型（其中引力扮演主要角色）究竟需要在哪里进行修正。

尽管天文学家在寻找无可辩驳的证据来证明一个正在坍缩并即将成为恒星的气体云的努力中屡屡失败，但他们在完善关于气体云坍缩时可能发生什么的想法方面取得了长足进步。首先，他们意识到，供给恒星的暗云应该会因其在巨型分子云中形成时遗留下来的微小随机运动而被设定为旋转。结果，气体不再是简单地直线落入位于云中心的原始恒星，而是围绕着恒星螺旋盘旋，越靠近中心旋转得越快。这一认识又带来了另一个理论难题。天文学家们想知道，是什么使云层减速到足以让物质落入新恒星中？

角动量守恒定律解释了为什么花样滑冰运动员收拢手臂时会旋转得更快，这对于旋转的气体云同样适用，只是规模更为宏大。“滑冰运动员的体型大约缩小一倍，”密歇根大学的天文学家李·哈特曼说，“但这些云团会缩小一百万倍。”当云团收缩且其旋转加速时，最终它会旋转得如此之快，以至于其向外的离心力足以抵消其中心年轻恒星的向内引力。气体停止向恒星坠落。这种引力和角动量的平衡似乎构成了一个基本的物理障碍，应该会冻结新恒星的发展，阻止气体进一步坠落，从而阻止恒星的诞生。

观测天文学家通过假设气态盘的存在部分解决了这个问题。他们的想法是，云团自转产生的离心力使坍塌的云团呈盘状。这种效应类似于面团被旋转成披萨饼皮时发生的情况——离心力将极点的物质推向赤道。随着盘的旋转，解释是，气体逐渐向中心移动，最终到达盘的内边缘并落到饥饿的恒星上。“你不应该把恒星看作是从大半径开始收缩，而应该把它们看作是非常微小的种子，通过首先穿过盘的物质吸积而形成，”国家光学天文台的天体物理学家斯蒂芬·斯特罗姆说。由于物质逐渐吸积到恒星上，天文学家将这些气态飞盘称为吸积盘。“这些盘成为储存云团角动量的水库，”史密斯学院的天文学家苏珊·爱德华兹说。“当盘中的气体旋转时，它有时间释放其角动量并减速到足以让引力将其拖入一个漫长、收缩的螺旋。”

然而，盘如何释放其角动量仍然是一个谜。盘中气体原子之间的摩擦不足以消散盘旋转中储存的巨大能量。大自然减少吸积盘角动量的唯一方法是甩掉大量的物质。例如，如果一个花样滑冰运动员突然松开他的搭档，搭档就会被甩出去，带走大部分角动量。随着天文学家们思索着越来越多的喷流和流出证据，他们开始怀疑吸积盘也在做类似的事情。将这个想法纳入恒星形成理论的主要障碍是喷流奇特几何形状的问题。被吸积盘甩出的物质不应该沿着盘的平面向各个方向移动吗？相比之下，喷流和流出似乎沿着盘的旋转轴向上和向下抛射物质。喷流和流出直接来自盘，并起到去除角动量的作用，这个想法似乎和一个旋转的花样滑冰运动员松开搭档，而搭档却直接飞向空中一样荒谬。

然而，当你考虑到另一种宇宙现象时，这种荒谬可能会消失：磁场。毕竟，磁场几乎存在于宇宙中的任何地方，其强大程度足以塑造那里发生的大部分事件。它们产生太阳黑子，控制地球极光的波纹状帷幕，并赋予脉冲星脉冲。巨型分子云和其中包含的暗云也拥有强大的磁场。这些磁场也能为喷流和流出提供动力吗？

最有可能的磁场理论由芝加哥大学的天体物理学家阿里耶·科尼格尔提出，它假定存在一种磁-离心风，将物质从盘中抛向喷流。科尼格尔从标准假设开始：诞生恒星的暗云拥有磁场，并且在新恒星的附近，磁场方向是一致的：如果你画出表示磁场方向的线条，它们将全部平行。盘中气体的旋转强化了这种磁场。吸积盘中的气体足够热，使得一些原子失去电子并被电离——也就是说，带上正电荷。同时，随着星云的坍缩，磁力线与气体一起被压缩，最终嵌入盘中。它们形成一种沙漏状，就像你将麦秆绑在中间时的样子。

有了这个磁场，物质就可以以喷流的形式喷出。随着圆盘旋转加速，其离心力增加，开始克服中心年轻恒星的引力，圆盘表面附近的气体分子被抛离。由于带电粒子倾向于沿着磁力线以螺旋状运动，气体分子不仅向外，还沿着磁力线向上和向下飞出。

虽然这个模型存在一些显著的不确定性，但其美学吸引力赢得了天文学家们的许多拥护者。通过去除圆盘的角动量，这些风解决了两个问题：它们不仅为喷流提供了动力，而且还足以减缓圆盘中气体的旋转，使其最终跳上恒星。这个理论也解释了为什么喷流呈现出珠状。随着吸积盘旋转得更快，其离心力阻止物质落入，一团气体从圆盘中抛出并进入喷流。物质的损失减缓了圆盘，允许更多的物质穿过圆盘并向中心移动。这种质量的传递，就像滑冰运动员收拢手臂向身体靠近一样，再次加速了圆盘。随着这种断断续续的过程重复进行，物质以离散的块状形式被送入喷流。此外，天文学家们还巧妙地运用了一些数学方法来证明磁力线在远离圆盘时会收缩和扭曲。如果属实，这将解释为什么喷流如此紧密地聚焦。

科尼格尔说，有了盘风理论，“我们看到所有这些流出物都与恒星形成有关，这不再像是一个巧合。”这个理论让天文学家觉得，如果他们事先足够努力地思考，他们甚至可以在观测到流出物之前预测它们的存在。这种事后诸葛亮是一种强大描述性理论的标志。

一颗新恒星从巨型分子云的湍流混沌到成熟期的宁静稳定，似乎包含了宇宙中其他地方发现的许多结构。吸积盘已在许多白矮星和中子星周围观测到，它们似乎为类星体中心的黑洞提供燃料。喷流也能以接近光速从活跃星系的中心发出，并向太空延伸数百万光年；事实上，盘风理论就是为了解释这些河外喷流而发展出来的。新生恒星结构与类星体爆发之间的相似性为天文学家提供了一个研究这些更遥远现象机制的黄金机会。天文学家在恒星形成理论中寻求的统一性甚至可能为大统一提供一些线索。最终，恒星诞生，最初是一个黑暗的谜团，很可能会最终阐明宇宙中最具戏剧性、最暴力且了解最少的事件。