不同大小的恒星的演化过程（从星际介质到原恒星形成）

宇宙中的所有天体都有其生命周期，当然，恒星也不会例外。就像我们人类一样，恒星也始于“胚胎”状态，在它的周围环绕着为其提供生命养料的星云。就恒星的形成过程而言，所经历的一系列演变都是复杂而多变的。从星际介质到原恒星形成，年轻恒星和“失败的”恒星有所不同！星际介质主要是在大爆炸期间所产生的氢和氦，富含来自下一代恒星核心中元素核聚变的较重元素。而星云则是星际气体和尘埃的密集聚集体，在恒星形成区域内的苛刻条件下，大约只有的10％原恒星能够生存，并最终成为恒星。

星际尘埃粒子非常小，且一般情况下都小于千分之一毫米，主要由H、C、O、Si、Mg和Fe组成，而灰尘颗粒的大小，与可见光谱的蓝色部分的波长相同， 因此，尘粒会散射蓝光。但是，由于从远处物体到达地球的光被灰尘耗尽了蓝色波长，因此产生的透射光看上去会比实际上更红，这被科学家们称为星际红化。当灰尘颗粒吸收入射光，在加热的同时发射红外线，这便导致了星光变暗，并使来自深空天体的光变暗，这就是所谓的星际消光。

比如，螺旋星系NGC 3370的大小和结构，都与我们的银河系相似，在可见波长中，图像由位于并定义“螺旋臂”结构的恒星、气体和尘埃云控制。在图像中，不明显的部分是尘埃颗粒，而原子和分子气体，则构成了散布在恒星之间的脆弱的星际介质（ISM）。星际介质的极低平均密度是 每立方厘米约一个原子，这几乎是一个完美的真空状态。然而，由于恒星之间的空间巨大，星际介质构成了星系质量的20-30％。

星云的主要类型有三种，它们分别是发射星云、反射星云和吸收星云（暗星云）。发射星云产生的发射光谱，是因为从一个或多个激发氢气的热发光恒星吸收的能量。来自大质量恒星的紫外线（UV）辐射使氢离子化，通过光电离过程从氢原子中剥离电子。当自由电子与质子结合后，会形成氢原子，并在它们向下流过原子的能级时，发出一系列特征的发射线。这些线条中的可见辐射，赋予了这些区域美丽的红色光芒。比如，位于猎户座的星座M42，星云内的热发光恒星正在电离星际氢，质子和电子重新组合并发出红光。

反射星云主要由冷星际尘埃组成，反射和散射来自附近恒星的光，灰尘颗粒对蓝光的散射更有效，因此，它们通常是蓝色的。比如，巫婆头星云就是一个反射星云，由于来自猎户座星座附近炎热的蓝色大质量恒星里格尔的紫外线辐射，它也在发光。而吸收星云在物理上与反射星云非常相似，只是因为尘埃云，所以它们看起来有所不同，吸收星云只是阻挡来自它们后面的光源。发射，反射和吸收星云经常出现在同一视场内，发射和反射星云通常与恒星形成区域有关，因为它们是由热的年轻恒星的紫外线辐射所引起的，然而，恒星不会在这些类型的星云中形成。

星系形成的巨大星际气体和尘埃复合物被称为分子云，主要由分子氢组成，这些云是星际介质中最密集（106到1010个颗粒/ cm3）的部分。由于这些云的性质比大多数地方凉爽，因此它们成为了恒星形成的理想位置。分子云是浮肿和块状的，直径从不到1光年到约300光年（LY），含有足够的气体，可以形成大约10到10000000颗恒星，就像我们的太阳一样。超过100000倍太阳质量的分子云被称为巨分子云（GMC's），而典型的螺旋星系则包含了大约1000至2000个巨型分子云和许多较小的分子云。在大约30年前，科学家们首次通过射电望远镜发现在我们银河系中的这些云。虽然这些云中的分子不发射光，却会在无线电波长下发射光。比如，下图就显示的GMC在猎户座的位置，便是通过一氧化碳（CO）气体的无线电测绘产生。

分子云主要沿着旋臂发现，个别巨大的分子云在内部是暴力和湍流，通过来自气体和磁场线的超音速压力，抵消团块的自重能。“螺旋臂”结构内螺旋密度波的相互作用、附近云层之间的碰撞、超新星冲击波，以及附近的大质量恒星形成是一些可能的触发因素，最终便导致了GMC内的不平衡，并且，团块开始崩溃。在其自身较小的砌体结构内，团块内的单个恒星形成核心，当气体核心坍塌时，由于气体颗粒彼此碰撞，出现摩擦而加热的情况。气体粒子在重力（重力势）下落下的能量，转换为热能，直到气体核心变得足够温暖，以产生红外和微波辐射。

在坍塌的初始期间，核心对辐射是透明的，并且崩塌很快进行，但随着核心变得更加密集，它开始变得不透明。捕获红外辐射，中心的温度和压力开始增加，随着核心开始演变成一个原恒星，即使它只有最终质量的1％。然而，随着绝缘材料继续增加，恒星的包络继续增长，在几百万年后，在核心中心的温度足够热以后，开始了氢融合的过程，并产了生强烈的恒星风，从而阻止了更多物质的进入，盘中的其他材料则可以聚结，以形成其他恒星或行星。比如，Proplyds是嵌入原行星盘中的原恒星。当Protostars达到2000至3000 K的温度，虽然它足够热呈现出发红的状态，但是周围气体和尘埃的茧阻挡了可见光的逃逸。

任何已经进入原恒星阶段，但尚未到达主序列的恒星，被称为年轻恒星物体（YSO），年轻恒星可根据其年龄、质量和环境拥有多种形式。一般来说，未成熟的恒星容易出现不规则的增亮，在嵌入星云的同时伴有双极流出。我们可以通过对Herbig-Haro物体的观察，非常清晰地看到坍塌尘埃和气体的星际盘，它们构成了恒星并为行星系统提供成分。热气体射流从这些胚胎系统深处漏出，并以每小时近五十万公里的速度，从年轻的恒星物体中喷射出爆炸物。而Herbig-Haro对象HH111，则显示了来自新星的快速移动的物质射流与星际介质碰撞。当一颗年轻恒星的双极流，进入周围的气体时，产生强烈的冲击波使气体电离。在冲击前沿后的冷却气体中，电子和离子重新组合以产生Herbig-Haro物体的发射谱线特征。

三裂星云是夜空中最突出的星云之一，其强大的中心恒星的辐射正在吞噬周围密集的星际物质。在下图中，哈勃望远镜图像的视野包括了一个恒星形成区域，该区域将在接下来的2万年内被前进的“电离锋”破坏。来自年轻恒星物体和“长指”的突出射流，其尖端可能有年轻的恒星物体，恒星喷射从三裂星云的云层中出现。其中的喷气机非常引人注目，因为它与大多数恒星喷气机不同。这是因为喷射器被来自巨大的、发光的恒星的辐射点亮，为三裂星云提供动力。手指状蒸发气体球（或“EGG”）的尖端指向Trifid' 中央星，从EGG射出的微小射流和一片反射光表明，一个年轻的恒星物体被埋在喷气机的尖端。这颗年轻的恒星物体在几万年前被发现，因为来自三裂的中心恒星的辐射，破坏了恒星形成的密集云。

而T Tauri则是一颗非常年轻轻盈的恒星，但它仍然经历引力收缩，它代表了一个原恒星和一个中等质量主序星之间的中间阶段。T Tauri恒星仅在星云或非常年轻的星团中发现，具有低温（G至M型）光谱、强发射线和宽吸收线。它们比类似光谱类型的主序星更明亮，并且它们具有高锂丰度，这是他们极端年轻的特殊指针，因为锂这种物质会在恒星内部被迅速摧毁。T Tauri恒星通常有恒星形成留下的大型吸积盘，它们不稳定的亮度变化可能是由于盘中的不稳定性所造成，恒星大气中的剧烈活动，或附近的气体和尘埃云，有时会遮挡星光。据估计，在年龄超过300万年的T Tauri恒星中，大约有60％可能拥有尘埃盘，T Tauri恒星代表了原恒星与中质量恒星主序列之间的进化阶段，位于HR图上主序列的正上方。

一颗恒星因其核心内的热核反应而发光，通过将氢气融合成氦气，释放出巨大的能量。然而，对于发生的聚变反应，恒星核心的温度必须达到至少300万K。与此同时，由于核心温度随着重力压力升高，因此，恒星必须具有较小的质量，这个值大约为木星质量的75倍，或者约占太阳质量的8％。但是，当其质心形成的质量小于0.08倍太阳质量，那么，其内部温度永远不会变得足够高，以便开始热核聚变。这颗“失败”的恒星被称为褐矮星，位于行星（如木星）和恒星之间，因为褐矮星没有足够的质量，虽然它比气体巨行星重，但却不足以成为一颗恒星。

当然，褐矮星仍能释放能量，大多数在红外线，由于崩溃的潜在能量转换成动能，坍塌有足够的能量使褐矮星发光超过1500万年。在下图的复合哈勃图像中，猎户座大星云内明亮的梯形星（光学）与红外图像相结合，显示了一群褐矮星。即使是最大的褐矮星，质量也只能达到太阳的7%，它可分为L型和T型两种类型，T型褐矮星的细分依赖于近红外光谱，而L型褐矮星的进一步分类是按照可见光的红光光谱进行。由于褐矮星自身较小和质量较低，增加了科学家们探测该天体的难度，因此这些观测本身也代表了很大的进步。在这些古怪的星球上，研究人员还发现了巨大的类似行星的风暴，而这种风暴足以与木星上的大红褐矮星斑风暴相媲美。在褐矮星的一生中，其释放的绝大部分能量，都是其形成和收缩时所释放的引力能，同时，褐矮星也终将随着变冷而老去。

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