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银河系中的气体正在耗尽?

斯皮策空间望远镜的新结果显示,银河系的恒星工厂正在高速运转,它会在10亿年之内耗尽所有的气体。

对于绝大多数偶然抬头望星空的人来说,夜空给人的感觉似乎是亘古不变的。但是仔细看的话就会发现,我们的银河系正经历着宇宙生与死的循环。

银河系的银道面是恒星形成的地方。天文学家估计,这里每年总共会生产出5个太阳质量的新恒星。但是这一生产效率也许很快就会被提高。

在黑暗的夜空中,肉眼大约能看到6,000颗恒星。其中绝大多数的质量比太阳大,也比太阳亮。这些大质量恒星会快速地演化,并且在它们诞生之后的5千万年内就以超新星爆发的形式死去。

但是银河系大约4千亿颗恒星中占大多数的是质量比太阳小的中年或者老年恒星。这些红色的低温恒星会发出看不见的红外辐射(热)和少量的可见光。因此,为了了解银河系中恒星形成的详细情况,天文学家就需要把他们的视野拓展到红外波段。

为此,天文学家们使用美国宇航局对红外辐射极为灵敏的斯皮策空间望远镜为银河系号了一把脉。由“斯皮策”所进行的两个互补的巡天所得到的结果已经开始改变了天文学家对于银河系中恒星形成的看法。初步的结果显示,银河系目前如此高产的恒星诞生率维持不了10亿年。

银河系的红外脉搏

“斯皮策”的红外中银道面非常巡天(GLIMPSE)和内银道面多波段成像测光巡天(MIPSGAL)对银道面进行了迄今最高灵敏度和分辨率的观测。MIPSGAL的首席科学家、美国加州理工学院的肖恩·凯里(Sean Carey)说,即使是在可以预见的未来这些大尺度的观测也绝对是最佳的。这是因为在十年之内没有哪一个计划能集灵敏度和大视场于一身。

这两个巡天覆盖了银道面上下各1°、银心两侧各65°的天区。它们在近红外和中红外波段观测了从银河系中央核球到旋臂在内的银河系结构。

“GLIMPSE所观测到的大部分恒星是以前从没有见到过的,”GLIMPSE首席科学家、美国威斯康星大学麦迪逊分校的天文学家埃德·丘奇威尔(Ed Churchwell)说,“在我们观测到的天体中有许多天体是2微米全天巡天已经观测到过的,因此两者之间可以进行交叉认证。但是,即使是在近红外波段,尘埃也会限制可观测到的恒星数量。所以GLIMPSE星表中所给出的1.1亿颗恒星并不全是新发现的,但是其中大部分是以前没有观测到过的。”

在“斯皮策”发射之前,对银河系中恒星形成区数目的标准估计值在5,000到7,000之间。根据新的数据,天文学家可能不得不把原来的这个数字翻倍。初步的结果显示,这个值可能在10,000到15,000之间。

GLIMPSE还观测了恒星泡、恒星外流和原恒星。MIPSGAL所观测的目标温度比GLIMPSE更低,其中包括了恒星形成区中的尘埃以及即将形成的恒星。MIPSGAL还观测了处于生命尾声的恒星,这些恒星会膨胀并且开始损失质量形成尘埃壳层。

猎户星云——并没有想的那么大

此外,这两个巡天都证实,天空中被研究的最多的恒星形成区猎户星云(M42)和更遥远的恒星形成区比起来其实并不大。天鹅星云(M17)、船底星云或者是RCW 49中的恒星形成活动都能让猎户星云相形见绌。恒星形成区中的星团通常可以包含有几百到上千颗的恒星,这些恒星中的绝大部分又位于双星系统之中。

“我们发现了大量以前没有见到的恒星形成区,且这些恒星形成区遍布每个角落,其广度超出了我们的想象,”丘奇威尔的博士生马修·波维奇(Matthew Povich)说,“人马座中的M17其实是一个巨型的恒星形成区。它包含了一个质量相当大的星团,其中还有几颗银河系中最亮的年轻恒星。正如M17所显示的,在不同时间都会有恒星形成,因此通常很难区分。”

当天文学家试图要计算银河系中的恒星形成率是否真的比现在预期的要高的时候,这一不确定性就会让人对此尤为困惑。不过,GLIMPSE的初步结果还是显示银河系中的恒星形成率可能需要大幅度地上调。

丘奇威尔的小组估计了M17中的恒星形成率,发现大约是每年0.008个太阳质量——远高于银河系中的平均水平。由于只详细研究了几个大的恒星形成区中的恒星形成率,因此很难精确地给出最新的银河系全局的恒星形成率。且由于这个问题本身的尺度和复杂性,对这一问题的研究还必须要有一个长期的计划。

即使如此,银河系中的恒星形成区大多分布在距离银河系中心10,000到30,000光年的范围内。而太阳系到银心的距离大约为26,000光年,差不多正好位于盾牌-半人马旋臂和英仙旋臂之间。

在这个距离上,星际物质中原子和分子的比例大约是五五开。在这个距离之外,氢原子就会在星际环境中占据主导。由此在太阳绕银心转动的轨道以外,恒星形成率就会快速下降。

高产的银心

然而,银河系中质量最大的一些恒星形成区都非常靠近银心。例如,拱形星团(因毗邻射电观测到的拱形纤维结构而得名)到银河系中心超大质量黑洞人马A*的距离不到几百光年。

“斯皮策”对银心也进行了观测,但是由于那里太亮,因此没有呈现出那些星团的更多细节。这些星团必定是最近才形成的,因为它们拥有大质量的恒星。但是形成这些星团的分子云比外部旋臂转动的速度要快好几倍,所以很难理解它们是如何把足够的物质聚拢到一起进而形成恒星的。

按照推测,先是一片稠密的分子云发生碎裂,然后这些碎块吸积周围的物质引发了恒星形成过程。年轻恒星的光亮会产生星风,这会使得恒星难以吸积更多的气体。当物质在引力的作用下落向恒星的时候,它也会绕着恒星旋转。因此它并不会径直下落到恒星的中心,而是盘旋着前进。

这就会产生离心势垒,使得物质无法靠近恒星。年轻的原恒星打破这一势垒的办法之一就是把物质送入它的偶极外流。在这个过程中气体喷流会从原恒星的两极往相反的方向喷出。这使得下落的部分物质可以进入吸积盘,并且最终掉到恒星上。这样一个盘就会向恒星的表面输入物质,随后还有可能在其中形成行星。

虽然如此,但银河系中大部分的恒星形成可能是由大尺度的密度波所触发的。当巨分子云进入旋臂的时候,就会被密度波扫过。美国哈佛史密松天体物理中心的天文学家马克·里德(Mark Reid)指出,由于旋臂转动的速度大约是整个银河系的2倍,因此这种情况会经常发生。

从星云到恒星

猎户座中的恒星形成区在最近1千万年的时间里已经产生了数千颗恒星。这些恒星形成区的大小从60到300光年不等,质量可以达到100万个太阳质量,是银河系中最大的结构之一。

绝大多数的大质量O型和B型恒星都形成于巨分子云。在刚刚诞生的时候,引力通常会把它们束缚在形成它们的星云之中。但是当这些大质量恒星开始发光之后,它们的紫外辐射就会驱散这些气体。此外,由于巨分子云内部的动力学作用,这些大质量恒星也会很快被甩出它们的巢穴。猎户座中的参宿四就已经踏上了一条不归路,在它形成之后的1千万年里它已经向外运动了150光年。

银道面中的绝大多数星团都不会存在很长时间。它们之间的约束并不紧密,随着时间的推移,其中的恒星回往各个不同的方向运动。

为了形成,巨分子云必须在几百甚至上千光年的距离上积聚气体。这个过程估计要花2千万年的时间来完成。由于星云内部的超音速湍流和磁场与引力坍缩之间的对抗,巨分子云可以保持“平衡”。

但是一旦达到了临界状态,巨分子云就会开始碎裂成稠密的恒星形成核。膨胀的超新星壳层、旋臂密度波、来自O、B型恒星的膨胀恒星泡或者是巨分子云中湍流和磁场的耗散都会触发这一过程。

当恒星形成核生长的时候,它的温度就会上升。上升到一定程度之后,氢分子就会被离解成氢原子。这个核就会变得引力不稳定进而坍缩,这标志着初期恒星体阶段的开始。随着引力收缩加热初期恒星体,它们首先会燃烧氢的同位素氘。

为了成为一颗“真正”的恒星,初期恒星体必须要启动氢聚变反应。为了做到这一点,恒星核心的温度就要上升到大约1千万度。

“值得注意的是,即便不同的恒星其内部的物理状态会差上好几个量级,但是它们的外表却都惊人的相似,”美国加州大学伯克利分校的天体物理学家克里斯托弗·麦基(Christopher McKee)说,“但在通常情况下,只要改变初始条件就会改变结果。”

与之相关的一个问题是,环境是如何影响一颗形成中的恒星的大小的。除了纯粹的兴趣之外,对这个问题的认识将为理论天体物理学家提供一个把银河系和恒星演化联接起来的工具,同时还能对宇宙中有多少普通物质进行限制。

质量小于0.08个太阳质量的天体温度太低无法启动氢聚变。这些“失败的恒星”被称为褐矮星。在另一个极端,质量超过150个太阳质量的天体由于不稳定也不会存在下去。这样一个大质量天体会因为温度太高,它所产生的能量将以绝对的优势压倒将星体束缚在一起的引力能。观测证据显示,我们银河系中恒星的平均质量大约为0.5个太阳质量。

“天文学家相信绝大多数的恒星形成于分子云中高密度核的引力坍缩,”法国巴黎天文台的天体物理学家帕特里克·埃内贝勒(Patrick Hennebelle)说,“问题是这个核中有多少质量最终组成了恒星?另外,一个核是只形成一颗恒星还是会形成一个小型的星团?在观测上已经知道,恒星的质量直接和发生在分子云中的物理过程有关。”

开始第二代

虽然GLIMPSE小组只能对巨分子云中复杂的全局动力学细节进行推测,但是它已经确认了一种触发下一代恒星形成的新机制。这一过程始于大质量的O、B型恒星以及它们膨胀的高温气体泡。天文学家估计,在银河系中大约有2万颗这样的大质量恒星。

GLIMPSE观测到了591个恒星泡,它们就像球形的活塞会挤压周围的气体,并且引发下一波的恒星形成。到目前为止,“斯皮策”已经发现了数个初期恒星体候选体,它们的形成可能就是由这些膨胀的气泡所触发的。

这些气泡会挤压并且推动气体。当这些被压缩的气体进入了某些已经稍稍偏离引力平衡的区域,增加的密度就会引发坍缩并且开始形成恒星。对这一结果的确认不仅来自对单颗恒星周围气泡的观测,还来自于它们自身——当被激发的氢分子撞入周围的星际介质的时候,它们会在伪色彩的红外图像中形成绿色的模糊辐射区。

GLIMPSE已经发现了300个左右的细长、延展“绿色模糊区”——它们就是原恒星的偶极外流。这些外流和活动星系中央的类星体所产生的喷流非常相似。不过这些绿色模糊区在这里则是单个恒星泡可以触发下一代恒星形成的观测证据。

然而,恒星形成最终还是会受银河系自身条件的限制。除非有内落的星系际气体或者是吸积近邻的矮星系,否则银河系中能用于恒星形成的气体总量是有限的。虽然银河系中还有几十亿个太阳质量的低温分子氢,但是天文学家也在思考银河系将来是否也会经历能源危机。

“估计显示,银河系会可能在10亿年之内耗尽分子气体,”美国加州大学伯克利分校的天文学家利奥·布利茨(Leo Blitz)说。

不过可以肯定的是,II型超新星会向周围的星际介质抛射大量的氢。就算是没有经历超新星爆发的恒星也会在红巨星阶段抛射出它们绝大部分未被使用的氢。麦基估计,恒星质量的大约30%最终会回到星际介质中。

我们的太阳形成于45亿年之前,但是它不会永远存在下去。就像我们的血肉之躯最终会被再循环一样,太阳也会奉献出它从未使用过的氢去点亮另一颗恒星。现在我们要做的就是去欣赏这所发生的一切。[Astronomy ]


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