星际介质与恒星形成

星际介质与恒星形成第1页，共63页，2023年，2月20日，星期六本讲内容星际介质浩瀚的宇宙空间星际尘埃星际气体星际云(HII区)云际气体分子云恒星形成分子云坍缩为原恒星原恒星演变为恒星主序恒星的性质第2页，共63页，2023年，2月20日，星期六1.1浩瀚的宇宙空间太阳体积是地球的1.3百万倍。但太阳是大约300立方光年空间内的惟一的一颗恒星银河系的其余空间（星际空间interstellarspace）充满星际介质，这里正是恒星形成、演化和结束的场所：恒星诞生于星际介质生活在星际介质中消亡后把部分元素和能量回馈给星际介质与浩瀚的星系际空间intergalacticspace相比，星系自身也是拥挤聚集的星系团第3页，共63页，2023年，2月20日，星期六星际介质InterstellarMedium星际介质的组成：大约90%的原子核是氢；其余大约10%基本上是氦；更大质量的元素只占原子核数的0.1%，或约2%的质量~99%的星际介质是气体，即自由运动的原子和分子星际气体（interstellargas）极端稀薄：地球大气:2.5x1019分子/cm3真空室:1010分子/cm3星际气体:<1原子/cm3（目前宇宙平均密度~1原子/m3）第4页，共63页，2023年，2月20日，星期六1.2星际尘埃InterstellarDust星际介质中大约1%质量的物质是固体颗粒，称为星际尘埃So,theInterstellarMediumisDusty!尘埃的大小：小到大分子的尺寸，大到300nm星际尘埃可吸附其它的原子和分子长成更大更重的物体第5页，共63页，2023年，2月20日，星期六星际消光InterstellarExtinction尘埃能吸收和散射光子，因此星际尘埃能有效阻光，即星际尘埃能遮挡我们的视线，称为星际消光不同波长的电磁波的星际消光程度不同：电磁波能和大小与其波长相近的物质有效相互作用微小尘埃颗粒的典型尺寸接近短波波长，因此和紫外线与蓝色可见光相互作用最强长波辐射能穿透星际尘埃，短波辐射遭受严重星际消光第6页，共63页，2023年，2月20日，星期六在可见光（和紫外波段），银河系的大部分区域由于受到尘埃的消光而不可见第7页，共63页，2023年，2月20日，星期六在射电和近红外波段，透过尘埃云可见银河系中心的恒星，可获得相对比较完整的银河系图像第8页，共63页，2023年，2月20日，星期六星际红化InterstellarReddening在可见光波段，短波的蓝光比长波的红光遭遇更严重的星际消光。因此透过星际尘埃所看到的天体看起来比其真实的颜色更红（不仅仅更暗弱），即星际消光造成星际红化改正天体的消光和红化是解释天文观测最困难的部分之一，往往增加天体特征测量的不确定性第9页，共63页，2023年，2月20日，星期六星际尘埃辐射远红外光红外波段的星际消光虽不明显，但仍起重要作用如同任何固体，尘埃颗粒也发光，波长由其温度决定尘埃吸收恒星紫外和可见光而得到加热，温度在几十K至几百K，取决于吸收和辐射的平衡Wien’slaw：T=100Kdust,glowsmostat29um

T~10Kcooler

dust,glowsmostat290um尘埃辐射在远红外-毫米波波段最强第10页，共63页，2023年，2月20日，星期六远红外“眼”所看到的宇宙基本上不是星光，而是尘埃的热辐射1983，IRAS(InfraredAstronomicalSatellite，NASA)首次观测远红外（至100um）辐射所看到的与以前大不同（没有恒星）MissingdataIRAS观测表明：光学波段所看到的银河系中的暗星云在远红外波段是很亮的（尘埃辐射很强）第11页，共63页，2023年，2月20日，星期六1.3星际云和云际气体

星际云InterstellarClouds

：大部分星际物质聚集在相对致密的区域大约一半的星际气体集中在2%的星际空间中云际气体Inter-cloudgas：其它一半的星际气体散布在其余的98%星际空间中TheirpropertiesvaryfromplacetoplaceHotinmillionsK,warmofabout8,000K！Hotmeansatomsmoveaboutveryrapidly,butthegasisextremelytenuous第12页，共63页，2023年，2月20日，星期六炽热的云际气体极端炽热的云际气体大约占一半的星际空间，气体主要是被强烈的超新星爆发加热我们的太阳系生活在一个由温度为百万K的云际气体所构成的气泡中，其尺度约650光年,被300,000年前的一次超新星爆发加热ThefaintX-rayglowduelargelytoemissioncomingfromthebubbleofmillion-kelvingaswhichsurroundstheSun.亮斑是更遥远的天体，包括环绕超新星爆发所形成的炽热的高压气泡

第13页，共63页，2023年，2月20日，星期六温暖的云际气体有些温暖的云际气体(H)被星光电离大约一半体积的温暖气体被电离，其余一半是被这些电离云际气体包围的中性气体发现（炽热或温暖的）星际气体的方法：恒星辐射通过星际气体时产生吸收线电离的温暖气体产生发射线：质子和电子的复合释放出能量，电子逐步由高态到低态则产生发射线。可见光波段最强的发射线是Ha线(656.3nm).第14页，共63页，2023年，2月20日，星期六星际云：HII区HII区是被大质量、炽热、极亮的O型和B型恒星的强烈紫外辐射所电离的相对致密的星际云发光的HII区正是产生恒星的云，是生机勃勃的恒星形成正在发生的路标“Great”OrionNebulainoptical(HST),theclosestHIIregions,glowedbytheUVlightmostfromasinglehotstar.Thereareonlyafewhundredstarsforminginthisglowingregion.Newstarsarestillforminginthedensecloudssurroundingthenebula.第15页，共63页，2023年，2月20日，星期六剑鱼座大麦哲伦云中恒星形成区中的HII区Doradus30：被包含数千个年轻大质量恒星的致密星团的紫外辐射照亮而发光第16页，共63页，2023年，2月20日，星期六中性氢的21厘米线射电辐射温暖的中性氢气体发射21厘米线射电辐射磁化的质子和电子如同磁棒拥有磁北极和磁南极量子力学只允许两个态：磁极相同排列为低能态磁极相反排列为高能态两个能态之间的能量差极小，由高态跃迁到低态时发射21厘米射电线辐射跃迁几率:11,000,000年一个光子（但宇宙含大量氢）第17页，共63页，2023年，2月20日，星期六21厘米线射电辐射研究银河系结构21厘米辐射穿透尘埃窥测银河系内的中性氢由21厘米辐射的多普勒位移研究辐射源的运动全天21cm射电图显示银河系内中性氢云的结构第18页，共63页，2023年，2月20日，星期六星际云的特征与温暖的云际气体比较，星际云更冷，但更致密T~100K密度~1-100atoms/cm3星际云的大部分成分是中性氢原子通常称冷而致密的气体为（星际）云第19页，共63页，2023年，2月20日，星期六分子云MolecularClouds分子只能生存在既冷又暗的星际云中，称为分子云星际云最致密的核心区更冷:T~10K更致密:100-1,000分子/cm3,某些1010分子/cm3(依然是实验室中好的真空!)分子氢(H2)：最轻，最常见主要辐射射电与红外发射线：分子云的指纹第20页，共63页，2023年，2月20日，星期六分子云剪影在可见光波段，分子云相对于背景恒星和发光气体的轮廓，这是由于分子云中的尘埃阻碍了短波可见光和紫外辐射第21页，共63页，2023年，2月20日，星期六常见的星际分子InterstellarMolecules已观测到许多种星际（有机）分子CO,oneofthemostcommon…Complexorganiccompounds:CH3OH(methanol甲醇)and(CH3)2CO(acetone丙酮)CarbonchainsaslargeasHC11NVerylargecarbonmolecules,madeofhundredsofatoms...可见光无法逃出分子云，但分子辐射的射电波不受星际尘埃的影响，为研究最致密且最不透明的分子云最核心的工作原理提供了一个极好的窗口第22页，共63页，2023年，2月20日，星期六银河系中分子氢所在的区域实际上就是恒星形成区。第23页，共63页，2023年，2月20日，星期六巨分子云Giantmolecularclouds分子云的质量：太阳质量的几倍至107倍分子云的大小:小于0.5光年至超过一千光年最大的分子云称为巨分子云Masses:afew105timesthatofourSunSize:onaverageabout120light-yearsacross银河系已知大约4,000个巨分子云，许多更小的仅占银河系星际空间的~0.1%恒星形成的摇篮第24页，共63页，2023年，2月20日，星期六2。恒星形成StarFormation分子云是恒星形成的摇篮第25页，共63页，2023年，2月20日，星期六2.1分子云坍缩为原恒星分子云的自引力self-gravity大多数分子云的自引力不重要，因为引力的平方反比定律（天体越延展，则自引力越弱）分子云很少是流体静力学平衡的，因为向外的压力比自引力大得多如果没有云际介质压力的束缚，分子云将会扩散，云际气体十分稀薄，但热得多，所以有足够大的气压第26页，共63页，2023年，2月20日，星期六第27页，共63页，2023年，2月20日，星期六分子云坍缩有些分子云足够致密，且质量足够大，因此自引力变得重要。由于足够冷，尽管高密度，但压力低。因此自引力比压力大得多。所以这些分子云会在自引力作用下坍缩角动量、湍动和磁场会使坍缩变慢快速坍缩不会都向中心：角动量守恒坍缩云变得扁平这些致缓因素是暂时的，但引力会最终获胜许多因素使得坍缩进程非常缓慢：恒星形成不易！第28页，共63页，2023年，2月20日，星期六分子云坍缩时发生裂变坍缩使分子云体积变小引力增大坍缩加快引力加速变大…..分子云绝对不均匀，一些地方总是比其它地方致密些。较致密的区域比其周围坍缩更快分子云不会坍缩为单一天体，而是很可能裂变为许多十分致密的分子云核（molecularcloudcores）（不均匀）大分子云多个尺度数光月的小分子云核恒星正是形成于小分子云核（恒星的种子）第29页，共63页，2023年，2月20日，星期六第30页，共63页，2023年，2月20日，星期六分子云核的坍缩一个分子云核依靠自身引力坍缩至其中心区坍缩开始比云的外层坍缩快分子云核的中心区十分致密内部飞快向内下落外层失去支持外层向中心自由落体……©角动量守恒定律：自转造成下落物质形成吸积盘。吸积盘供养中心正在成长的原恒星ptotostar。同时下落物质供养吸积盘第31页，共63页，2023年，2月20日，星期六2.2。原恒星变成恒星由于角动量，分子云核向内坍缩时形成一个转动的吸积盘，已有观测证据大部分物质通过吸积盘到达吸积盘中心的正在成长的原恒星，一小部分物质遗留在吸积盘上成为行星的原料我们的太阳系正是开始于一个分子云核!已经了解了太阳系的形成现在探讨原恒星如何演化为恒星第32页，共63页，2023年，2月20日，星期六原恒星的特点原恒星不仅大而且亮（与太阳比较）表面温度比太阳略低，T~几千K（由引力能转变为热能，还未开始热核反应）比太阳大数百倍，表面积则比太阳大数万倍Stefan’slaw光度是太阳的数千倍尽管很亮但可能在可见光波段不可见相对较冷，大部分辐射为红外在初期，原恒星深埋在致密的尘埃分子云中，尘埃吸收可见光第33页，共63页，2023年，2月20日，星期六原恒星主要在红外波段研究红外光能透过包裹原恒星的尘埃摇篮原恒星的光加热分子云核里的尘埃，尘埃辐射红外光红外观测技术的发展，从1980s开始，深入研究原恒星及相关年轻恒星在光学波段早已熟知的暗星云darkclouds在红外波段观测到的实际上是致密分子云核、年轻恒星和发红外光尘埃的集团“红外眼”：IRAS,ISO,SPIZTER，赫歇尔第34页，共63页，2023年，2月20日，星期六HSTvisibleimageoftheEagle(天鹰座)NebulainvisiblelightshowscolumnsofmoleculargasanddustilluminatedbynearbystarsWhenviewedinIRweseeintothedustycolumnswherenewstarsareformingfrominterstellargas创生之柱第35页，共63页，2023年，2月20日，星期六原恒星及原行星盘第36页，共63页，2023年，2月20日，星期六进化中的原恒星引力和压力平衡，但平衡点连续改变Massandgravitycontinuallyincreases,Slowlylosethermalenergypressureoftheunderlyinglayerdecreases当更多的物质落到原恒星，而且热能从内部辐射出去时原恒星就变得越来越致密，越来越炽热增加的压力抵抗增加的引力第37页，共63页，2023年，2月20日，星期六在没有物质落到原恒星时，由于高辐射，原恒星仍缓慢收缩。引力能转变为热能，并加热正在收缩的原恒星，因此原恒星进一步变得越来越小（致密）并且越来越热引力坍缩的作用：一部分引力能通过热辐射出去，即原恒星的光度另一部分引力能滞留原恒星内部，加热原恒星，增加压力来抵抗不断增加的引力因此，演化中的原恒星其体积越来越小、密度越来越大、温度越来越高第38页，共63页，2023年，2月20日，星期六Thecycle：原恒星变成恒星热能从原恒星内部辐射出去，原恒星收缩。变小的原恒星引力变大，同时压力和温度升高此过程循环：当原恒星越来越小时，其内部越来越热，密度同时也越来越大以此方式，原恒星的引力能转化为热能，直到原恒星的核心变得足够热足够致密以致氢开始燃烧聚变为氦（原恒星质量必须足够大）核聚变开始后，原恒星成为一个真正的恒星：开始漫长的主序星生活，即其核心氢燃烧为其提供能源第39页，共63页，2023年，2月20日，星期六褐矮星Browndwarf：流产的恒星failedstars要成为一个恒星，其质量不能小于0.08个太阳质量(氢聚变需T~107K)。如果一个原恒星质量<0.08Msun,它将永远不会达到氢核聚变的温度，从而成为一颗流产的恒星：褐矮星褐矮星既不是恒星也不是行星：像恒星一样形成，（已发现）有行星绕转但在诸多方面更像气态的木星像冷的M型恒星,更像新引入的更冷的L,T型恒星靠自身（坍缩）引力能发弱光，所以褐矮星越来越小，越来越暗弱第40页，共63页，2023年，2月20日，星期六漂浮的行星（行[星]质天体）2000年，发现不属于任何恒星系统的“自由漂浮行星”已发现20多个（首先在猎户σ聚星）2006年6月，双行星（蛇夫座，质量为木星的5倍）在各自气体和尘埃所构成的吸积环的环绕下互相绕着对方旋转间距为太阳至冥王星距离的6倍多距离双行星最近的恒星是双行星间距的30倍和恒星形成过程一样相当恒星的行星？第41页，共63页，2023年，2月20日，星期六原恒星演化在H-R图上是对流而非辐射方式向外传输能量，原恒星内部保持很好的对流态原恒星收缩时，虽然内部变热，但原恒星表面温度在收缩阶段基本维持不变因为原恒星（恒星）表面有一种天然的恒温器(thermostat)，就是大量的H–（负氢）离子1960s,林忠四郎（日本）H–离子：氢原子获得一个额外电子H–的数量对原恒星表面温度极度敏感第42页，共63页，2023年，2月20日，星期六H–离子调节原恒星表面温度原恒星表面太冷/太热形成/破坏H–离子，直到原恒星表面再次辐射适量的能量调控原恒星的辐射（即表面温度）原恒星表面温度：3,000-5,000K,取决于质量和年龄SB定律：表面温度不变，因此单位面积单位时间辐射也基本不变。当原恒星收缩时，表面积减小光度下降原恒星在向主序恒星演化的过程中，表面温度或颜色基本恒定，但逐渐变暗第43页，共63页，2023年，2月20日，星期六主序前恒星在赫-罗图上演化程：恒星演化在赫-罗图上所经过的路线（L和T的关系）林忠四郎线Hayashitrack–低质量原恒星进化为主序恒星的过程所对应的在赫-罗图上经过的路线不同质量恒星沿不同的路线图抵达主序星位置主序前恒星的演化程第44页，共63页，2023年，2月20日，星期六恒星形成时质量不同恒星质量范围：0.1–100Msun为什么不存在更大质量的恒星?决定恒星质量的机制是什么?一种可能：由于物质用完，不可能更大。易理解，但与恒星实际形成方式的观测不符正在坍缩的原恒星位于正在坍缩的分子云核的中央，而包围分子云核（密度较大）的分子云的质量可达数十万倍太阳质量另一种可能：辐射压过大离解更大质量的原恒星（爱丁顿极限）第45页，共63页，2023年，2月20日，星期六喷流Jets与外向流outflows在观测年轻恒星时:物质通过吸积盘下落到中心的原恒星在物质被吸积到原恒星的同时，从正在形成的恒星喷出强大的物质外向流Bipolarjets双极喷流

andoutflowsflowawayfromtheyoungstaranddisk.Thisstructureisseeninimagesofformingstar.inflowsWindoutflows第46页，共63页，2023年，2月20日，星期六外向流喷流第47页，共63页，2023年，2月20日，星期六赫比格-哈罗天体Herbig-Haro(HH)Objects原恒星产生强大的双极外向流，称为喷流，速度可达几百km/s喷流撞击到星际介质时，加热和加速星际气体（弓形激波），产生发光的气体结knots，称为HH天体弓形激波ThefirstHHobjects.Onlyonejetcanbeseenbecausetheotheroneishiddenbehindthedarkcloudinwhichthestarisembedded.第48页，共63页，2023年，2月20日，星期六金牛座T型星TTauristar强大的原恒星风、喷流和其它外向流可能裂解分子云核和吸积盘，中止物质流向原恒星当环绕并遮挡原恒星的“面纱”被吹散后，就可直接在可见光波段看到了原恒星的真实面目一旦收缩的原恒星露出面目，称为金牛座T型星第49页，共63页，2023年，2月20日，星期六星团中的恒星同时形成星团为恒星成批地形成提供了直接的证据：所有不同质量恒星形成于相同的地方、相同的物质和大约相同的时间ThePleiades(昴星团)ortheSevenSistersinconstellationTaurus(金牛座).Thediffusebluelightaroundthestarsisstarlightscatteredbyinterstellardust.第50页，共63页，2023年，2月20日，星期六恒星形成所需时间原恒星演化为主序恒星所需时间由质量决定1个太阳质量:1千万年。包括巨分子云坍缩和裂变的总时间约3千万年10个太阳质量:仅100,000年100个太阳质量:<10,000年0.1个太阳质量:1亿年太阳形成需时大约3千万年。如此漫长的时间相对于太阳主序寿命的100亿年来讲简直是弹指一瞬间，所以年轻恒星数量很少第51页，共63页，2023年，2月20日，星期六*OverviewofstarandplanetformationAgiantmolecularcloudbeginstocollapseunderitsownweight……andfragmentsintosmall,densemolecularcloudcores.Oneofthemolecularcorescontinuestocollapseunderitsownweight……untilthebottomfallsoutandmaterialrainsdownonaformingaccretiondisk.ThewindandbipolarjetsfromtheprotostarformHHobjectsandhelpdispersethecloudcore……revealingthenewTTauristaranditscircumstellardisk.Astheprotostarcontracts,temperatureandpressureinthecoreclimbuntilfusionofhydrogenbegins……whilematerialintheaccretiondiskmaycoalescetoformaplanetarysystem.9.(Life?)第52页，共63页，2023年，2月20日，星期六3。主序恒星的性质如果质量相同的恒星的演化过程基本相同，那么在H-R图上恒星的不同类型就反映它们处于演化的不同阶段在H-R图上某一类恒星数量的相对比例就反映了恒星在该演化阶段所停留时间的相对长短90%主序恒星恒星一生90%的时间生活在主序阶段第53页，共63页，2023年，2月20日，星期六零龄主序ZeroAgeMain-Sequence（ZAMS）零龄主序：刚刚开始核心H燃烧的恒星，在H-R图上占据主序带的最左侧质量范围:0.08M⊙<M<~100M⊙（？）均匀的化学组成质光关系和质量-半径关系

L~M2.5-4,R~M0.5-1

恒星的质量决定了它在ZAMS上的位置第54页，共63页，2023年，2月20日，星期六主序星序列其实就是关于恒星质量的序列压力和引力的平衡控制恒星的温度和密度。增加密度和温度将加速核反应密度增加，原子核之间碰撞概率增加温度升高，原子核运动加快，更容易相互碰撞温度升高，碰撞更剧烈，更容易克服电排斥力温度和密度的合成效应是压力，压力的微量增大将会导致核燃烧所释放能量的显著增加如果给太阳增加质量新的引力和压力平衡点

太阳核心温度和密度将会增加，故而核反应将加速更亮（表面温度更高）质量比太阳大一些的恒星沿主序带向左上方移动第55页，共63页，2023年，2月20日，星期六主序恒星的寿命一颗主序恒星的寿命（核心H燃料用完的时间）取决于它的质量和光度太阳在100亿年“烧完”其核心的氢第56页，共63页，2023年，2月20日，星期六质量大即寿命短恒星的光度十分敏感于其质量：L(M)=M3.5

O5型主序恒星M=60Msun

其光度并非太阳的60