什么是原恒星和自转盘?
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发布时间：2023-05-08 15:54
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时间：2024-12-03 01:08
星云凝聚成为恒星导致其大小和密度发生巨大变化。银河系内星际气体内氢的平均密度约为每立方厘米1个分子。反之，恒星内气体的平均密度约高达每立方厘米1023个分子。也就是说，为了形成恒星，星际分子云的体积必须以超过20个量级的倍数收缩！
引力导致了尺度和密度如此的巨大改变。恒星产生的第一阶段是形成受其自己引力束缚的分子云核。巨分子云被微弱的磁场穿透，拥有混沌的结构和湍流般的内部运动。在运动的分子云内部，气体分子团之间的相对运动速度一般比其成员分子的随机速度大1个量级。星云内部混沌态的剧烈扰动说明这类气体分子团迟早都会碰撞，而后这种碰撞产生的强烈激波就会压缩气体。
但是气体通常不会长时间保持着致密，因为内部压力和在内部冻结的磁场起了弹簧的作用。在这些激波通过之后，内部压力的作用使压缩的气体层重新膨胀，恢复到原先的密度。湍动分子云的计算机模拟模型显示，受激波压缩的气体层常常形成混沌的网格，它由瞬息万变的羽片状或纤维状稠密气体组成。但是，有时很多的物质积累起来，导致引力阻止了重新膨胀，催生了星云中受引力束缚的前恒星核。随着这类核的收缩和密度增长，它们会碎裂成更小和更致密的子核，这些子核相互绕转，产生相互作用。
在湍动的巨分子云内，核的引力凝聚和碎裂的过程是高度动态和混沌的。当物质在某些地方积累之际，在引力的作用下，将会有更多的物质掉向那里。模型显示，在几十万年的过程里，致密云核的坍缩形成了羽片状物质、纤维状物质和团块状物质，它们在复杂的相互影响中彼此碰撞、并合和作用，导致具有各种质量的大量恒星个体到处生成。然而，在深入讨论多个恒星和星团的生成之前，我们将聚焦于单个孤立恒星从单个星云核里生成的基本过程。
IC1396HⅡ区中巨大的彗星状球状体在其近旁大质量恒星（图中未显示）的强烈紫外辐射下形成了现在的形状。
科学家最早阶段的对恒星生成的研究大部分都是理论工作。这么做的原因部分是探索星云内部的最深处的观测才刚刚起步，而所涉及的时间尺度太长，没有一种观测能够完整地跟踪其过程。但是高速计算机的出现，使从收缩阶段开始模拟恒星的产生已成为可能。
最简单的情形是理想状态下的球状星云核，这时使星云收缩的引力与支撑核抵抗收缩的气体压力相平衡。如果核变得越来越致密，引力会超越气体压力占据上风，核就在自身的引力下开始坍缩。另一方面，如果温度升高，那么气体压力也增高，坍缩受到阻止。
英国天文学家詹姆斯·金斯，在20世纪早期提出了“金斯质量”的概念，它是能够产生引力坍缩的星云核的最小质量。金斯质量仅与星云密度和星云温度有关。温度较高而密度较低的星云会形成质量较大的恒星，温度较低而密度较高的星云则会形成质量较低的恒星。金斯质量描述了一种理想化和简单化的情形，它忽略了诸如磁场等许多其他因素的影响，最多只能告诉我们何时将发生坍缩。
星云核的坍缩从中心最稠密的部分开始，而且总是不均匀的。坍缩从那里出发，按从内而外的方式扩展。底部基本上是从核心内不断增高的气体层掉落下来的。气体一旦开始运动，它就自由下落，直到抵达中心，在那里一个密度极高、体积很小的恒星胎开始形成。所以说，原恒星由一个恒星状的中心物体构成的，它包含小部分自己的最终质量，而由不断下落的大质量壳层包裹着。
磁场穿透分子云并通过抵抗收缩而阻碍恒星形成。当磁场抵抗收缩的时候，气体肯定会透过磁力线而扩散，并落向星云核的自引力中心，这个过程称为“双极扩散”。这能把星云核的坍缩延迟几百万年。不过在没有外部影响的情况下，引力将最终克服磁性星云的支撑。一旦这个过程开始，星云核从里向外的坍缩过程只是比无磁场的情况稍稍延缓一些时间而已。
恒星形成过程中还会遇到另一个障碍，它来自于自转的形成。分子云处于永恒的运动之中。随着分子云结构的发展并形成稠密的团块和更加稠密的核，气体的随机运动可以导致缓慢的自转，这已普遍地从分子云的核内观测到。有一个物理量，对这类核或任何其他旋转物体的旋转作定量的计量，这就是角动量，它是质量、大小和自转的度量。
如果没有外力矩，旋转物体将保持角动量守恒。花样滑冰运动员的旋转是这种情况中最知名的例子。当她收拢双臂时，她的旋转速率加快，因为她的角动量大部分都保留了下来。在恒星形成的研究中有一个经典的“角动量问题”，其根源就在：一个自转星云核的角动量通常等于一个恒星所能拥有的角动量的数千倍。假设一个直径为0.3光年的典型星云核每100万年完成1次自转，而如果压缩到太阳的大小，它将绕自己的自转轴每10秒旋转1次！离心力将远远超过引力，物质将飞离出去。坍缩中的星云核因为这种不平衡性必须释放它们大部分角动量才能形成恒星。
正在形成恒星的星云核能经过几个途径分散它的自转。首先，它可以碎裂为双星系统或聚星系统，它们的轨道运动继承了星云核的大部分角动量。其次，来自核内的具有较高角动量的物质将不断地向旋转盘掉落，这个盘环绕着由低角动量气体掉落而产生的稀薄的恒星胎。
不过，为了成长为恒星，恒星胎必须从周围的盘内吸积更多的质量，这就使它进一步耗散盘内的轨道角动量。冻结在盘内的磁场和受自引力团块作用的力矩可以把盘的轨道角动量从其内部转移到外部。随着盘内物质盘旋着趋向中心，盘的外半径必然胀大，以保持角动量守恒。
但是，从盘的内边缘吸积物质到原恒星的赤道仍将加速恒星的自转。正在成长中的恒星的磁场，可能是由内部发电机机制产生的。当物质从盘的内边缘吸积到年轻恒星时，恒星磁场应该会消除其多余角动量。星周盘内角动量与吸积之间的相互作用是演化最年轻恒星的基本动因。
恒星胎的性质已经有了深入的理论研究。引力在与压力的抗衡中取胜，因为坍缩星云核起初是冷的。由坍缩核中的原子、分子和尘埃颗粒发射的红外辐射能够通过下落的气体逃逸，科学家称这个阶段的气体是光学薄。随着星云变得稠密，它开始拦截自己的辐射，并变得不透明，科学家将这时的介质称为光学厚。当辐射不再能够逃逸，中心温度开始上升，提升着气体的压力。这时光学厚的核再次抵抗引力，有一种新的平衡在发展在坍缩核的极内部区域：恒星胎产生了。在这一阶段，新生的恒星称为流体静力平衡核，因为引力与气体压力达到了平衡，这与在下落壳层中的高度动态的情况相反。
流体静力平衡核产生时的质量很小，只约有太阳质量的1%，但是与大多数恒星相比，它相当大，直径可以达到几个天文单位（AU），大约等于火星的轨道半径。强烈的激波包围着恒星胎，下落的壳层继续迅速地落向它的表面。随着核的质量快速增大，它的内部温度上升到大约2000开，这时氢分子开始离解。结果，流体静力平衡核再度不稳定起来，导致了自身的收缩。第二次收缩进行得极快，只持续约10年，当核内部的大部分气体都电离后就会停止。这时就形成了第二个稳定的流体静力平衡核，它的大小和太阳差不多，也被激波包围着，正在冲击的激波由来自壳层的气体暴雨形成。新恒星的真正开端就是这个稀薄且快速增大的恒星胎，即原恒星。
