神奥的宇宙星空：银河系进行史及恒星演变

银河系的“进行史”

恒星的诞生

蓝色强光度恒星非常热，它们的表面温度达35000度左右。因此它们发出的辐射能量非常大。它们的光量子能夺走星际物质中氢原子的电子，只剩下带正电的原子核也就是电离氢。强光度、大质量恒星使附近的气体物质电离，电离氢原子捕获电子时发出辐射，这样所产生的亮光使我们银河系中这些电离氢区引起人们的注意。它们的热辐射也可以用射电天文仪器测出来。

射电观测有个优点，就是不受吸光尘埃物质的影响。在天上，星际物质受强光度、大质量恒星激发而发光的最漂亮实例还得数猎户座星云。那里有没有和拉森的计算结果相关联的对象？人们应该去寻找什么？原恒星大部分时间被缓慢地落向它自身的尘埃外壳所遮盖。外壳上的尘埃物质吸收来自核心的辐射而获得能量，升温几百度，发出和这种温度状态相应的辐射。要找出这种热辐射，人们应当致力于红外波段的研究。

1967年，帕萨迪纳市加利福尼亚理工学院的埃里克·贝克林（Eric　Becklin）和格里·诺伊格鲍尔（Gerry　Neugebauer）在猎户座星云中发现了一颗红外星，它的本身光度约为太阳的1000倍，辐射温度为700度。它的直径也许有太阳直径的1000倍左右，这可算得上是一颗原恒星的气体尘埃外壳模样了。近些年来人们愈来愈清楚地了解到，在银河系中产生恒星的场所，不仅有红外源而且还有射电波段致密辐射源。波恩的射电天文学家彼得·梅茨格尔（Peter　Mezger）和他的合作研究人员就曾在猎户星云中发现一批氢元素高度密集的区域。这些区域在发出特强的射电辐射，其中每立方厘米所包含的由氢原子中脱离出来的自由电子数比附近的一般猎户星云物质大致要多百倍。这种天体比起整个猎户星云来是非常微小的，据估计，其大小约相当于太阳直径的50万倍，也就是大约为拉森模型中落向核心的云团大小的1／4。

人们在猎户星云区还发现了直径很小的、发出分子辐射，特别是水分子辐射的天体。这些分子的辐射处在射电波段，可以用射电望远镜观测到。它们也都处在很小的空间范围中，甚至只有太阳直径的1000倍。值得注意的是，拉森云团的初始直径有太阳半径的几百万倍！分子的射电辐射应该是来自核心区域。

不过，在解释这个问题时还应该认真谨慎。能够确定的是，人们在猎户星云区观测到了由高度密集的气体和尘埃所构成的天体，尽管它们在可见光波段并不引人注目，但其情况正好和拉森云团所应有的一样。

不过，还有其他的论据支持这种密集物质射电源兼红外源就是原恒星的想法。有一个以奥地利天文学家维尔纳·恰努特为主的小组，改进了方法，重复了拉森的计算。这些学者还计算了红外波段中辐射强度随波长的分布，所得结果和观测相符，人们似乎真的观测到了计算机所模拟的原恒星。

既然我们对恒星起源的推测胜利在望，人们会问，是不是银河系中千亿恒星的起源全都可以这样来解释。概括地画出我们这个恒星系统的结构，银河系圆盘并不包括一切恒星。最老的恒星散布在一个几乎是球状的空间范围里，叫做银晕。由其中的球状星团的赫罗图可以推知银晕恒星已届老年，它们的化学成分比起太阳来，重于氦的元素含量较少，往往还不及太阳的1／10。比较年轻的恒星全都位于银河系圆盘即银盘中，它们的物质包含重元素较多。重于氦的元素，即使在银盘恒星中也只占极少的百分比，然而它却为我们探明银河系的演变史提供了重要的线索。氢和氦从宇宙之始就已经存在，在某种意义上可以说是“上帝安排的”，重元素则肯定是后来在恒星中以及超新星爆发过程中产生的。可见银晕恒星和银盘恒星的化学成分差异和恒星中的核反应情况有关。

在银河系刚形成之时或其后不久，银晕恒星便由几乎不包含重元素的物质中诞生出来。其中的大质量星演化得最快，它们所产生的超新星使星际气体沾染了重元素。可是这一代恒星中的小质量星却演化得非常缓慢，以至它们的外层物质（以及它们之中的大多数星的中心区域）当前仍不包含重元素。在银晕恒星已经形成，其中质量较大的已经爆炸后，新一代恒星又从新增重元素的星际气体中产生出来。这些恒星诞生在银晕恒星之后，相对年轻，而它们的外层物质比银晕恒星的大气所包含重元素的比例要高，这就是为什么银河系中老一代恒星包含重元素比年轻一代恒星要少的原因。最新一代恒星的外层重元素含量最高，这是因为孕育它们的星际物质在银河系的演变史中经历了所有各代恒星所造成的沾染。

银河系的演变史

银河系是怎样诞生的，我们还不知道。在宇宙初期就产生并向各方飞散的物质中，一定是在某个时候形成了一个质量约为太阳的千亿倍的分立云团，而且后来密度变得更大。这团由湍动物质逐步成形的气体和一切物质一样，同时也产生了自转运动。它慢慢坍缩，密度变大到足以产生一批次级云团，而后者又分裂成更小的、密度继续增高的许多气体云。最早的恒星诞生了，它们只包含氢和氦，以质子—质子反应进行氢聚变。但是要不了多久，其中质量最大的那些恒星的核燃料就会耗尽，成为超新星而爆散，大量气体物质中从此新添了比氦更重的元素。因为这一切都发生在整个原始银河系云团还几乎是球形的时期，所以银河系中最老的恒星和极老的星团都处在银晕中。早在银河系呈现圆盘形以前，远在太阳诞生以前，银晕恒星就已出世了。重元素在这些星中还只是相当稀少的杂质。

但是演变在继续推进。星际气体中的重元素不断增多，并且沉积在已经演化恒星所抛出的凝聚核上而形成尘埃颗粒。不久以后，自转运动明显了，密度继续增大的气体尘埃物质撇开球状银晕中那些早已诞生的恒星和星团而渐渐形成一个愈来愈扁的东西。于是新生恒星的场所只剩下这个愈来愈扁的透镜状区域，而形成它们的物质的重元素含量愈来愈丰富。当最近期恒星终于在银盘中诞生出来时，大部分星际气体已经耗尽，恒星起源的第一阶段结束了。(www.xing528.com)

奥林·J·埃根（OlinJ.Eggen）、唐纳德·林登—贝尔（Donald Lynden—Bell）和艾伦·R·桑德奇1962年在美国加利福尼亚州帕萨迪纳提出了关于银河系如何形成的宏伟总体蓝图。从那时以来虽然已经过去了20多年，但是它对人们的吸引力和当年相比仍然毫不逊色，因为它能够说明银河系的主要特点：最老的恒星位于球对称形状的银晕中，重元素贫乏；最年轻的恒星目前诞生在一个薄盘中，因为只有那里还有星际气体。

我们所处的这一恒星系统之所以成为一个圆盘，是由于孕育银河系的云团始终包含角动量。我们看到天上有一条银河，也要归因于这种角动量。

恒星的形成与旋臂

当前，是什么原因使星际物质在银盘内某些场所密聚而形成恒星？为什么银河系中别处没有恒星诞生？从宇宙空间远处看来，银河系有点像仙女座星云：漩涡结构明显的一个扁盘。别的恒星系统中有的漩涡结构比它要明显很多，遥远恒星系统的图片上旋臂之所以显得突出，是因为其中电离氢受激而发光。但是我们由猎户星云已经知道，氢是被强光度大质量主序星所电离的。所以，旋臂就是年轻恒星所在之处，也就是恒星正在诞生的场所。在银河系中，年轻恒星也正是密密麻麻沿着旋臂分布的。

另一方面，用了射电天文方法人们已经能够把银河系中星际气体的分布探查得非常确切；人们发现，旋臂区的气体密度比银盘其他各处更高。结果是：旋臂是气体密度较高的所在，同时也是年轻恒星集中的所在。问题是：使得星系看起来好像滚动火轮的旋臂结构又从何而来？

对旋臂的了解是长期以来的特殊难题，直到现在人们也还没有把有关的现象完全认识清楚。恒星系统在自转，测量了它们的自转速度，人们了解到它们并不是像刚体那样自转，而是愈往外自转速度愈慢，星系中靠近内心的区域自转一周需时较短。

乍看起来，星系出现旋臂结构似乎不足为怪。就连一杯咖啡加牛奶搅拌起来也会出旋臂式的花样，这是因为离中心不同距离的液体转速不同。因此人们就会推想，不管一个星系的初始结构怎么样，由于转速不同，转到后来要变成旋臂模样。

卡尔·弗里德里希·冯·魏茨泽克说过，即使当初银河系长得就像一头牛一样，如今也会展现旋臂。若干年前有人在哥廷根对冯·魏茨泽克所提的牛状银河系作了试探性计算，直到不久前还在汉堡任教的阿尔弗雷德·倍尔（AlfredBehr）当时也提供了帮助。大多数恒星还没有来得及绕中心转满一圈，牛状星系竟然化为一幅绝美的漩涡星系，可惜多出了一个挂钩。

从随意决定的初始结构到形成旋臂图样，要不了1亿年，但银河系的年龄比这要大百倍。那么初始结构那么多次所形成的旋臂早就该套叠卷紧到惊人的地步，在中心周围缠绕百圈取上的旋臂应该形成了像密纹唱片那样的密纹，但是人们并没有观测到这样的情况。星系的旋臂并非上百层缠绕，所以它们并不可能是初始结构的残余。既然实测到的漩涡星系没有哪一个表现一套极细密的旋臂，我们只好认为旋臂并不是套叠卷紧的。可是组成它们的恒星和气体都参与缠绕自转运动，这个难题又怎样解释呢？

只有一个办法。一定要放弃旋臂似乎总是由同一批物质组成的那种概念，可以设想，恒星和气体沿着旋臂横穿过去。虽然恒星和气体参与星系的自转运动，但旋臂本身只是反映恒星和气体暂时正在穿越过去的一种特殊状态。

在我们的日常生活中就可以举出类似的现象。一股气体火焰也并非总是由同一物质所组成，它只不过是经由它流过的一束气流的一段特定状态，而气流的分子之间在火焰里发生着一种特定的化学反应。那么，旋臂无非就是自转着的星系圆盘中大规模迁移的恒星流与气体流达到某种特定状态的所在，是星系全部物质的引力特性在维持着这种特定状态。