普通天文学/原恒星和恒星育婴室

原恒星的诞生

原恒星赫比格-哈罗 34

原恒星是在被称为星云的星体医院中形成的，而星云是相对于周围星际空间具有更高尘埃和气体密度的区域。 以及少量的氦，虽然更重的元素甚至分子也很普遍。这些更重的元素和分子来自之前死亡并将其一部分残骸散布到星云中的恒星。这些气体和尘埃云可以跨越数百 光年，并且当足够的气体和尘埃聚集在一起形成引力束缚时，或者被被称为 超新星 的恒星爆炸压缩时，它们可以形成。超新星也会将其气体作为 行星状星云 添加到宇宙中。 如果星云密度很高，气体和尘埃的 扰动 可能会导致引力收缩变得显著。如果引力足够大以至于将云中的尘埃和气体拉入，那么被引力捕获的物质就会自行坍缩，这就是原恒星的形成方式。 当引力接管并导致星云物质向内坍缩时，就会形成一种球体，这种球体将开始旋转。这种旋转将导致球体外的气体和尘埃开始朝球体旋转，类似于当打开浴缸的排水管时，浴缸另一侧的所有橡皮鸭开始朝排水管移动，被漩涡捕获，最后被吸入排水管。这就是原恒星增加质量的方式；原恒星将从开始旋转的小球体开始（这可以被认为是排水管），当这个球体旋转时，它将创造一个吸积盘（排水管周围的漩涡），这个盘将从周围的星云中吸取尘埃和气体并将它们转移到原恒星中。这个过程发生的速度可以帮助决定新恒星的结果。当原恒星开始氢核聚变时，这个过程将停止。在原恒星形成和吸积过程中，原恒星变得更热、更稠密。原恒星变得更稠密是因为 吸积盘 在向恒星添加物质，这导致了原恒星的引力增加，从而将吸积盘中的气体和尘埃“推”到越来越靠近原恒星的中心。这种效应与原恒星的温度相关联，随着恒星密度的增加，温度也会增加。当原恒星中心的温度达到约 10^6 摄氏度时，它将开始聚变氢。 这是质子-质子聚变链的开始，它是支撑恒星的主要聚变反应，标志着一颗新恒星的诞生。氢燃烧会产生太阳风，它会将吸积盘从恒星上吹走，使得从那时起不会再添加任何新物质。

原恒星形成的简单模型

以上是对新恒星形成的描述。我们现在将研究用于描述原恒星产生的早期物理学。第一个研究的人是詹姆斯·霍普伍德·金斯爵士；他研究了球状体和分子云，原恒星的形成在那里被观察到。 金斯爵士 研究了分子云或球状体中需要满足哪些条件才能诱发物质坍缩形成原恒星。在金斯的 lifetime（1877-1946）期间，计算机的先进计算能力还没有出现，因此他不得不简化他的计算。金斯在开始分析之前做出的主要简化是假设旋转、湍流和磁场的影响可以忽略不计。这些假设不正确，但金斯的计算提供了一个良好的起点。

金斯从 维里定理 开始，2K+U=0 方程 1

这表明引力的总 势 能量 (U) 是系统总动能 (K) 的绝对值的兩倍，当两者加起来等于零时，系统处于平衡状态，云既不会坍缩也不会消散。如果云的动能超过势能的一半，那么云会膨胀并消散。如果动能小于其势能的一半，那么云就会坍缩成原恒星。我们可以将势能写成，

U= -(3/5)(GM2/R) 方程 2

而动能可以写成，

K= (3MkT)/(μm_H) 方程 3

其中，

μ= 平均分子量

T= 温度

M= 云的质量

m_H= 是氢的质量

R= 云的半径

G 和 k= 引力常数和玻尔兹曼常数

将 R 改写为，

R= [(3M)/(4πρ)]^1/3 方程 4

ρ= 云的初始质量密度被假定在整个云中是恒定的

然后金斯爵士将 R 方程代入势能方程，然后将两个能量方程代入维里定理，并求解质量，他找到了云坍缩所需的最小质量。这被称为金斯质量，他通过将 R 的方程代入金斯质量方程并求解找到了最小半径，这被称为金斯长度。如果云的质量或半径大于这些方程得出的值，那么云就会坍缩。

M_J= [(5kT)/(Gμm_H)]3/2[3/(4πρ)]1/2 方程 5

R_J= [(15kT)/(4πGμm_Hρ)]1/2 方程 6

这是对原恒星形成进行的第一个理论尝试。这些方程为我们提供了哪些分子云能够形成原恒星的良好近似值。但是对形成的原恒星和分子云的观测表明，金斯爵士开发的方程并不总是准确的。 >

对金斯爵士模型的限制因素

前一节解释了金斯爵士关于原恒星从周围分子云中形成的模型。对分子云和原恒星的观测表明，该模型存在缺陷。该模型预测整个云将坍缩成形成的原恒星；该模型还预测，如果质量或半径高于金斯质量或金斯半径，那么云就会坍缩并形成原恒星。天文学家已经发现了不符合该模型的分子云和球状体。对球状体和分子云进行了观测，发现它们中形成了许多恒星，而其他一些球状体和分子云的质量或半径高于金斯质量或金斯半径，但没有太多原恒星活动。许多天文学家试图确定该模型的错误所在，并找到了解释与该模型相矛盾的观测结果的原因。发现的一个原因是，金斯爵士做出的简化不能被遗漏，通过包含一些以前被排除的变量，天文学家发现该模型更符合他们的观测结果。金斯模型中被排除的一些变量是云旋转、磁场的存在、温度变化、质量密度变化、外部气体压力和碎裂。

例子

让我们看看一个扩散的氢云。假设温度为 50K，云完全由氢组成，密度为 8.4x10⁻¹⁹ kg/m³，并且取 µ 为 1。那么，导致云坍缩所需的最小质量是多少？使用上面的方程 5 和给定的值，我们发现坍缩所需的质量大约为 1500 个太阳质量。普通的扩散氢云的质量范围为 1-100 个太阳质量，因此这些云是稳定的，因为上面计算的金斯质量大于这些云的质量。^[4]

现在让我们看看一个致密的巨分子云 (GMC) 的中心发生了什么。这种云的典型温度为 10K，我们将密度定为 3x10^-17 kg/m³，并将 µ 取为 2。同样使用方程 5，我们发现金斯质量现在只有 8 个太阳质量。GMC 大约有 10 个太阳质量。现在我们可以推断出 GMC 核是不稳定的。因此它们会形成恒星，因为金斯质量低于云的质量。这已被天文学家通过对我们夜空中 GMC 的观测所证实。^[4]