恒星诞生于黑暗和秘密之中。它们形成于星际气体和尘埃云深处，这些星云如此致密和不透明，以至于可见光无法逃逸，因此它们的诞生一直被我们的地面望远镜很好地隐藏起来。由于无法穿透这层黑色的面纱，天文学家不得不满足于根据物理原理构建自己对恒星如何形成的场景。他们临时故事中的主要角色是引力：星云中心一块相对致密的气体团吸引了更多的星云物质聚集到自身上方，使中心变得更加致密。越来越多的气体落入中心，中心不断增长，直到达到某个临界质量并在其巨大的自身重量下坍塌。
这种吸引人且直接的内坠理论几十年来一直保持着惊人的稳定性。然而，在过去的几年里，新一代望远镜——最重要的是哈勃太空望远镜——前所未有的观测结果使得这个故事显得越来越简单。天文学家首次瞥见了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形象。气体不仅向内坠落，而且大量的气体和尘埃也向外流出，远离新生恒星。狭窄的气体喷流似乎以极高的速度从恒星摇篮中冲出，并向太空延伸数光年。更引人注目的是，处于诞生阵痛中的恒星似乎还会呼出巨大的花生状气体泡，称为流出物，其质量是太阳的100倍。
这些壮观的气体喷发是现代天文学中最令人惊讶的发现之一。科罗拉多大学博尔德分校的天文学家乔恩·莫尔斯说：“喷流和流出物可能作为恒星形成正常过程的一部分出现，这一认识让所有人都感到震惊。”它也给天文学家和物理学家带来了一个令人费解的问题：为什么新形成的恒星会同时吸收物质又将其喷射出去？
当然，天文学家发现这些现象时并没有特意寻找它们；相反，他们多年来一直在寻找证据，以证实恒星确实如理论所说是由内坠气体形成的。但获得这种观测支持的问题是巨大的。除了提供恒星原始材料的暗云的不透明性之外，恒星的诞生也给天文学家带来了相当大的混乱。暗云几乎从不单独存在，通常只是一个更大、湍流更剧烈的气体和尘埃复合体——被称为巨型分子云——的一小部分。这些巨大的结构横跨数百甚至数千光年。在这样的星云中，恒星不断形成，通常一次形成几颗，形成松散的群落。这种丰富的活动产生了缕缕、团块和气体尘埃结的混乱，这使得地球上的观察者生活非常艰难。
早在20世纪40年代，天文学家乔治·赫比格（George Herbig）和吉列尔莫·哈罗（Guillermo Haro）系统地梳理这些杂乱物，寻找内坠气体的迹象时，一种特殊的碎片引起了他们的注意。1951年，他们看到了明亮的气体结，这些气体结发出的可见光如此之多，以至于他们不知道如何解释它们。几十年来，天文学家密切关注这些结构，追踪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惊人结论，这个结论使得标准的恒星形成内坠理论显得过于简单。这些气体结以每秒超过100英里的速度运动——太快了，无法由暗云的引力坍缩推动。更重要的是，它们运动的方向是错误的——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都未能成功解释这些亮气体结——现在被称为HH天体——到底是什么。然而，这一发现不得不等待电子技术进步，以提高光学望远镜的灵敏度。最终，在20世纪80年代末，新的观测揭示了HH天体更详细的结构。它们看起来不像气体结，而更像是巨大的、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、铅笔状的细长亮气体喷流，它们正从星云中喷出。
喷流的出现对天文学家来说比HH天体的最初发现带来了更大的难题，因为它们的几何形状非常奇特。什么物理学可能导致一股细长的气体流从基本上呈球形坍塌气体云中喷射出来？这些喷流显然以如此大的力量推动，以至于它们从星云中延伸出超过一光年，同时却保持着令人难以置信的狭窄。从尺度上看，它们就像花园水管将一股水流射向天空五英里那么紧密。
当宇航员们思考喷流时，另一个发现进一步加深了这一悖论。在整个20世纪70年代，宇航员们一直在研究工作于毫米波段的新型射电望远镜。由于这些望远镜能够穿透一直将恒星诞生隐藏起来的黑暗星云，宇航员们希望它们能揭示内坠气体并证实由来已久的内坠理论。然而，它们几乎立即在胚胎恒星周围发现了大量且异常庞大的气体喷发，这些气体喷发在新形成恒星的两侧膨胀开来，并且比喷流延伸得更远。尽管这些双极流出物的速度比HH天体慢得多——大约每秒十英里——但它们的质量是喷流的十倍，体积也大得多。它们也更冷，更古老。通过测量气体的速度及其与源自它的暗云的距离，估算其年龄是件简单的事情。喷流似乎只存在了大约1000年，而最古老的流出物已经从新生恒星中流出了超过10万年。由于恒星只需要10万到100万年才能形成，因此流出物似乎在恒星的形成中发挥着不可或缺的作用——尽管具体作用是什么，没有人能说清。
对于科学家来说，没有什么比没有统一原因的现象多样性更令人困扰——或兴奋——的了。大多数天文学家本能地觉得喷流和流出物背后有某种共同的物理解释，但这种情况显然需要新的想法。最自然的也是最明显的想法是——喷流以某种方式为更大、更遥远的双极流出物提供动力。当喷流穿过胚胎恒星周围的星云时，也许它们会卷起气体分子，或者带动气体，将其堆积成巨大的花生状流出物。这个理论的一个大问题是喷流看起来如此年轻。莫尔斯说：“这非常令人费解。”更令人困惑的是，即使年龄难题能够解决，喷流似乎也没有携带足够的物质或力量来产生巨大的双极流出物。
尽管有缺陷，这个理论仍然比任何替代方案都更具说服力，所以天文学家开始对其进行测试。因此，他们的下一步是找到另一种测量喷流年龄和大小的方法。换句话说，天文学家需要更好地利用能够穿过数千光年空间到达望远镜的微弱光线。
研究人员认为，答案可能来自于对光的量子力学和冲击波物理学分析。冲击波是大自然“急刹车”的方式。当超音速流体流，例如来自新形成恒星的炽热气体，在其路径中撞击障碍物，例如较旧、移动较慢的气体时，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。然而，并非所有能量都以热量形式散发。其中一部分被碰撞原子吸收，然后以光子或光粒子的形式重新辐射。量子力学规则规定原子以离散的方式在碰撞中吸收能量或以光子形式失去能量。因此，天文学家可以询问光子以揭示气体通过喷流中冲击波的基本物理特性，如速度和密度。天文学家将冲击波发出的光称为诊断。就像医生必须根据患者症状的描述来推断患者体内的状况一样，天文学家利用他们收集到的光中锁定的信息来推断数千光年之外的恒星形成流出物中的状况。
莫尔斯和其他天文学家利用冲击波的计算机模型对冲击波诊断进行了详细预测。通过将他们的预测与最近哈勃望远镜测量的实际光线进行比较，莫尔斯得出结论，喷流的密度比之前的估计高100倍。换句话说，喷流每天实际向太空喷射相当于一个木星的物质。如果这是真的，那么喷流确实以足够大的质量和能量产生了向外延伸到太空的巨大流出物。
此外，莫尔斯的观测表明，巨大的流出物是在喷流中较快的物质追上其路径中较旧、较慢的物质时形成的。如果他是正确的，这意味着流出物部分由最初是喷流一部分的较旧物质组成，使得喷流比之前认为的要古老得多。莫尔斯说：“外面已经有较旧的物质意味着喷流比我们看到的其最亮结构延伸得更远。”科罗拉多大学博尔德分校的天文学家约翰·巴利最近发现了一个“超级喷流”——一串长达23光年的HH天体——他认为它可能有10万年的历史。莫尔斯相信这些发现建立了喷流和流出物之间的明确联系。
展示喷流和流出物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生命中扮演的角色。然而，在科学家开始提出机制之前，他们首先需要了解旧的引力在其中扮演主角的恒星形成内坠模型究竟需要在哪里进行修正。
尽管天文学家在寻找塌缩气体云正在成为恒星的确凿证据方面屡次失败，但他们仍在完善关于气体云塌缩时可能发生什么的设想方面取得了巨大进展。首先，他们意识到供给恒星的暗云应该已经被其在作为其组成部分的巨型分子云中形成时遗留下来的微小随机运动所带动而旋转起来。结果，气体不是简单地直接坠落到云中心的原恒星上，而是围绕着恒星螺旋状运动，随着它向中心坠落而旋转得越来越快。然而，这又给天文学家带来了另一个理论上的困难：是什么使得云层减慢其旋转速度，足以让物质落入新恒星中？
角动量守恒是一个众所周知的物理定律，它解释了为什么滑冰运动员收回手臂靠近身体时会旋转得更快，这对于旋转的气体云同样适用，只不过速度变化要剧烈得多。哈佛-史密森天体物理中心的天文学家李·哈特曼说：“滑冰运动员的尺寸大约变化两倍，但这些云的尺寸却缩小了数百万倍。”随着云层收缩，其旋转加速，最终它会旋转得如此之快，以至于其向外的离心力应该足以抵消向内的引力。气体停止向恒星坠落。这种引力和角动量的平衡正是使行星围绕我们的太阳锁定在轨道上的原因，但它却构成了一个阻碍新恒星发展的根本物理障碍。
观测天文学家通过假设存在气体盘来部分解决了这个问题。他们的想法是，星云旋转产生的离心力使得坍缩的星云呈现盘状。这种效应类似于将面团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。解释称，随着盘的旋转，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。“你不应该认为恒星从一个大半径开始收缩，而应该认为这些非常微小的种子是通过首先穿过盘的物质吸积而形成的，”马萨诸塞大学的天体物理学家斯蒂芬·斯特罗姆说。由于这种物质逐渐供应给恒星的方式，天文学家将这些气体飞盘称为吸积盘。史密斯学院的天文学家苏珊·爱德华兹说：“这些盘成为储存星云角动量的水库。”“当盘中的气体旋转时，它有时间释放其角动量并减速，从而使引力以长长的收缩螺旋将其向内拖曳。”
然而，盘如何设法释放其角动量仍然是个谜。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当然是抛弃大量的物质。如果一个滑冰者突然放开他的伴侣，伴侣就会被甩出去，带走大部分的角动量。当天文学家仔细研究越来越多关于喷流和流出物的证据时，他们开始怀疑吸积盘正在做类似的事情。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。被吸积盘抛出的物质难道不应该沿着盘的平面向所有方向向外运动吗？相比之下，喷流和流出物似乎沿着盘的旋转轴向上和向下抛射物质。喷流和流出物直接来自盘并用于消除其角动量的想法，就像一个旋转的滑冰者放开他的伴侣，却让她径直向上射入空中一样荒谬。
然而，当您考虑到另一个宇宙现象时，这种荒谬可能就会消失：那就是磁场。毕竟，磁场几乎遍布宇宙各地，并且强大到足以塑造其中发生的许多事件。它们会产生太阳黑子，控制地球极光的涟漪幕布，并赋予脉冲星脉冲。巨大的分子云和其中包含的暗云也拥有强大的磁场。也许它们也为喷流和流出物提供动力？
最近最有前景的磁场理论，由芝加哥大学的天体物理学家阿里耶·科尼格（Arieh Königl）提出，它假设存在一种磁-离心风，将物质从盘中抛射到喷流中。科尼格从标准假设开始：诞生恒星的暗云具有磁场，并且在新恒星的近邻区域，磁场方向是一致的；换句话说，如果你画出指示磁场方向的磁力线，它们都将平行运行。盘中气体的旋转增强了这种磁场。吸积盘中的气体温度足够高，一些原子会失去电子并电离——也就是说，带上正电荷。同时，随着星云坍缩，磁力线与气体一起被压缩，最终嵌入到盘中。它们形成一种沙漏状，就像将麦秆系在中间一样。
有了这个磁场，物质就可以以喷流的形式喷射出来了。随着盘的旋转加速，其离心力增大，开始克服中心年轻恒星的引力，盘表面附近的气体分子被甩出。由于带电粒子倾向于沿着磁力线运动，以一种螺旋状运动方式，气体分子不仅向外，而且沿着磁力线向上和向下飞出。
这个模型包含一些显著的不确定性——尤其是没有人能够观测到真实吸积盘的磁场。尽管如此，它的美学吸引力还是为它赢得了许多天文学家的支持。通过清除吸积盘的角动量，这些风一次性解决了两个问题：它们不仅为喷流提供了动力，还足以减慢吸积盘中气体的旋转，使其最终跳跃到恒星上。这个理论还解释了为什么喷流看起来像珠状。随着吸积盘旋转得更快，其离心力阻止物质落入，一团气体被从吸积盘中甩出并进入喷流。物质的损失会减慢吸积盘的速度，允许更多的物质通过吸积盘向中心移动；这种质量转移，就像滑冰运动员的手臂收向身体一样，再次加速了吸积盘。随着这种断断续续的过程重复进行，物质以离散的块状被送入喷流。此外，天文学家还提出了一些复杂的数学方法来表明，磁力线离吸积盘越远，它们就越收缩和扭曲。如果真是这样，这将解释为什么喷流如此集中。
康尼格尔说，有了盘风理论，我们看到所有这些与恒星形成相关的外流就不再像是巧合了。这个理论让天文学家觉得，如果他们事先足够努力地思考，甚至在观察到外流之前，他们就可以预测它们的存在。这种事后诸葛亮式的回溯是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的平静稳定，其旅程似乎包含了宇宙中其他地方发现的许多结构。在许多白矮星和中子星周围都观测到吸积盘，它们也可能为类星体中心的黑洞提供燃料。喷流也能以接近光速的速度从星系中心喷出，并延伸数百万光年；事实上，盘风理论最初就是为了解释这些银河系外的喷流而发展出来的。新生恒星结构与银河系中其他过程的相似性为天文学家提供了一个黄金机会，可以研究这些更遥远现象的物理机制。天文学家在其恒星形成理论中寻求的统一性甚至可能为这些更大事件的宏大综合提供一些线索。最终，恒星的诞生，最初是一个黑暗的谜团，很可能最终会照亮整个宇宙中尚未被充分理解的事件。
