如果说有什么事情你认为天文学家们现在应该已经搞清楚了，那就是恒星是如何形成的。关于恒星形成的基本想法可以追溯到18世纪的伊曼纽尔·康德（Immanuel Kant）和皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace），随后物理学家们则在20世纪上半叶搞清楚了它们是如何发光和演化的细节。如今中学里就在教授那些支配着恒星的物理规律，而诸如暗物质这样奇特的东西则占据了新闻的头版头条。恒星形成似乎看起来已经是一个被解决了的问题。但事实远非如此。恒星形成依然是当今天体物理学中最活跃的领域之一。

[图片说明]：哈勃空间望远镜上新安装的大视场照相机3去年所拍摄的星系M83核心附近猛烈的恒星形成。标准模型无法解释其中所出现的大质量蓝色恒星以及它们将能量返还给其母星云的方式。版权：NASA, ESA, R. O’Connell (University of Virginia), B. Whitmore (STScI), M. Dopita (Australian National University), and the Wide Field Camera 3 Science Oversight Committee。

用最简单的话来讲，这一过程彰显着引力战胜了压强。它始于星际空间中漂浮着的巨大气体、尘埃云。如果这片星云——或者，通常把星云中某个高密度部分称为“云核”——的温度足够低、密度足够大，向内的引力就会超过向外的气体压强，于是它就会在自身的重量下坍缩。这片星云或者这个云核的密度和温度会变得越来越高，最终点燃核聚变。由聚变产生的热量会使得内部压强升高，进而停止坍缩。于是这颗新诞生的恒星就会进入可持续数百万乃至上万亿年的动态平衡状态。

这一恒星形成理论是自洽的，并且和大量的观测相符。但它还远未完善。上一段中的每一句话都亟需进一步的解释。有四个问题特别困扰着天文学家。第一，如果高密度的云核是孵出恒星的“蛋”，那么下蛋的“母鸡”在哪里？星云自身必定来自某个地方，而它们的形成过程还没有被很好地认识。第二，是什么使得云核开始坍缩？无论最初的机制是什么，它决定了恒星的形成率以及恒星的最终质量。

第三，胚胎期的恒星如何彼此影响？标准理论描述的都是孤立的单颗恒星；它并没有告诉我们，当恒星密集形成的时候会发生什么，而这却是绝大多数情况。最近的发现预示，我们的太阳形成于一个已经瓦解的星团之中。在拥挤的托儿所里长大和当一个独子之间会有什么不同？

第四，大质量恒星到底是怎样形成的？标准理论只能用于质量小于20个太阳质量的恒星，对于更大的恒星则不适用，它们巨大的光度会在初生的恒星积聚到足够的物质前将星云吹散。此外，大质量恒星会通过紫外辐射、高速外流和超音速激波来作用于它们周围的环境。这一能量反馈会使得星云瓦解，但标准理论并没有考虑这一点。

解决这些问题的呼声正在日益高涨。从星系形成到行星起源，恒星形成几乎是天文学中一切的基础。如果不了解它，天文学家就无法剖析遥远的星系或者是认识太阳系外的行星。虽然最终的回答还仍然扑朔迷离，但有一点已经取得共识：一个更精湛的恒星形成理论必须要考虑环境对其的影响。新生恒星的最终状态将不单单取决于云核中的初始条件，还和其周围的环境以及其他恒星随后对它的影响有关。这是一场宇宙尺度上的先天和后天之争。

[图片说明]：一颗恒星艰难的诞生。标准模型可以漂亮地解释孤立、中低质量恒星的形成，但仍然存在许多问题。恒星形成始于巨分子云——一团低温的气体、尘埃云；在星云中，一小团尤为致密的气体、尘埃云——云核——在自身的重量下开始坍缩；云核碎裂成多个恒星胚胎。其中每一个都会形成原恒星并且吸积气体和尘埃。原恒星收缩，进一步增大密度。当其核心开始核聚变反应之后，正式成为一颗恒星。行星则会从其周围剩余的物质中形成。版权：Scientific American。

生于尘埃

如果你在一个远离城市灯光、黑暗的地方仰望天空，你会看到贯穿夜空的银河，在这条弥散的光带上分布有暗色的斑块。这就是星际云。其中的尘埃粒子阻挡了星光，使得它们对可见光而言变得不透明。

结果是，想要观测恒星形成的人不得不面对一个根本的问题：恒星隐藏了它们的出生过程。将要形成恒星的物质既厚又黑；它需要达到足够高的密度才能启动核聚变，但目前还没有到这一步。天文学家可以看到这一过程是如何开始和结束的，但中间过程从根本上几乎无法观测，因为大部分的辐射落在远红外和亚毫米波段，在这些波段上天文学家的观测手段和其他的比起来相形见绌。

天文学家认为，形成恒星的星云是星际介质大循环中的一部分，在这个循环中气体和尘埃会从星云变为恒星，再从恒星变回原状。星际介质主要由氢组成；氦占据了总质量的四分之一，其他的所有元素则仅占了百分之几。这些物质中的一些是宇宙大爆炸最初三分钟所产生的原初物质，几乎没有受到过污染；一些则来源于恒星死亡时的物质抛射；还有一些则是恒星爆炸的残骸。恒星的辐射会把氢分子瓦解成氢原子。

最初，气体是弥漫在宇宙空间中的，每立方厘米中仅有大约一个氢原子，但是当它冷却的时候，就会凝结成分散的星云，这一过程类似于地球大气中水汽凝聚成云。气体通过辐射热量可以冷却，但这一过程并不直接，因为只有有限的几种方式热量可以流失。其中最有效的方式是某种特定化学元素的远红外辐射，例如由电离的碳在波长158微米处所发出的辐射。地球的低层大气对于这一辐射而言是不透明的，因此只有空间天文台（例如，欧洲空间局的赫歇尔空间天文台）或者是架设在飞机上的望远镜（例如，平流层红外天文台）才能看到它们。

随着星云的冷却，它们会变得越来越稠密。当它们达到每立方厘米1,000个原子的时候，就能阻挡来自周围星系中的紫外辐射。氢原子可以通过有尘埃颗粒参与的复杂过程来合并成分子。射电观测已经显示，分子云包含了从氢分子（H₂）到复杂的有机物等等一系列的化合物，也许正是这些有机物为地球上的生命提供了要素。但在此之后，星云会进一步冷却。红外观测发现，形成中的恒星深藏于尘埃之中，但观测从分子云到原恒星的最初几步仍然非常困难。

[图片说明]：星际云的暗起源。天文学家已经发现了弥漫的星际气体聚合成星云并且逐渐变密的阶段。这正是原恒星形成的第一步，被称为红外暗星云。即便对于红外光而言它们也是不透明的，在斯皮策空间望远镜红的图像中呈现为黑色的条带（左上）。它们的大小和质量正适合形成恒星。版权：NASA/JPL-Caltech/S. Carey (SSC)。

当20世纪90年代中期中途空间实验和红外空间天文台发现了连通常能穿透尘埃区的热红外辐射也能被阻挡的高密度星云（每立方厘米超过10,000个原子）时，对恒星形成最早期阶段的研究开始出现了变化。这些红外暗星云的质量要比先前在可见光波段看到的暗星云大得多（可以达到100～100,000个太阳质量）。在过去的几年中两个小组——由美国威斯康星大学麦迪逊分校的爱德华·丘奇威尔（Edward B. Churchwell）所领导的红外中银道面非常巡天（GLIMPSE）和由斯皮策科学中心的肖恩·凯里（Sean Carey）所领导的内银道面多波段成像测光巡天（MIPSGAL）——使用斯皮策空间望远镜对它们进行了详尽地观测。这些星云似乎就是分子云和原恒星之间缺失的一环。

事实上，暗星云和高密度云核代表着能决定恒星质量的关键形成阶段。星云的质量有一定的范围；小质量的要比大质量的多。这一质量分布直接反映出了恒星的质量分布，唯一的区别是所有星云的质量都是恒星的三倍。这说明星云中只有三分之一的物质最终构成了新生的恒星，剩下的则被丢弃到了太空中。

这一质量分布上的相似性是有因果关系的还是纯属巧合尚需要证明。但无论是什么决定了恒星的质量，它也同时决定了恒星的整个历史：大质量的恒星会快速死亡并且发生灾难性的爆炸，更一般的则会存在很长时间并且闪耀在夜空中。

谁扣动了扳机？

天文学家也正在第二大未解决的问题——是什么造成了星云或者云核的坍缩——上取得进展。在恒星形成的标准理论中，通过内部的热量、磁场或者湍流压强，云核一开始处于引力和外部压强的完美平衡状态。当这一平衡偏向引力的时候，就会发生坍缩。但是什么打破了平衡？天文学家已经提出了许多条不同的途径。诸如超新星爆发这样的外力可能会压缩星云，或者当热量和磁场耗散的时候内部的压强就会减弱。

美国哈佛-史密松天体物理中心（CfA）的查尔斯·拉达（Charles Lada）和欧洲南方天文台的胡奥·阿尔福斯（Joao Alves）及其合作者证实了热支撑缓慢减弱所起的作用。通过在介于射电和红外之间的毫米和亚毫米波段对分子云进行观测，他们在近距离的星云中发现了大量相对不活跃的孤立云核。另一些人则给出了向内运动触发恒星形成的证据。一个绝佳的例子是位于天鹰座的巴纳德335。它的密度结构正是预期中的星云热压强和外部压强几近平衡的样子。其中央的红外源可能就是一颗早期的原恒星，这说明目前的平衡状态正在向坍缩一侧倾斜。

[图片说明]：启动坍缩。天文学教科书中关于星云如何失稳并且坍缩的语焉不详。新的“斯皮策”红外图像揭示出附近的大质量恒星通常是“幕后黑手”。在银河系的W5区域中，大质量恒星（蓝色）在分子云中清出了一个空腔。原恒星（隐藏在白粉色的气体中）则位于空腔的边缘，它们具有几乎相同的年龄，说明它们的形成是由大质量恒星所触发的；其他的过程不会具有如此高的同时性。版权：NASA/JPL-Caltech/L. Allen & X. Koeing (CfA)。

其他研究则发现了外部触发的证据。德国马普射电天文研究所的托马斯·普赖比施（Thomas Preibisch）及其同事发现，广为散布在“上天蝎”区域中的恒星几乎都是同时形成的。不同云核的内部压强不太可能同时减弱。一个更可能的解释是，一颗超新星所释放出的激波扫过了这一区域并且诱发了云核的坍缩。不过，这一证据并不明确，因为大质量恒星会破坏它们的出生地，因此很难重建出它们形成时的情形。另一个限制则是很难观测到暗弱的低质量恒星，由此无法确认它们是同时形成的。

“斯皮策”在这些问题上取得了进展。美国国家光学天文台的洛里·艾伦（Lori Allen）、CfA的赛维尔·凯尼格（Xavier P. Koenig）及其合作者在银河系的恒星形成区W5中发现了一个外部触发的惊人案例。他们所获得的图像显示了位于高密度气团中的年轻原恒星，而这些气体则受到了早先形成的恒星所发出的辐射的挤压。由于压缩是一个快速的过程，因此这些散布较广的天体必定几乎是同时形成的。简而言之，恒星形成的触发机制并非是过去所认为的非此即彼的情况，而是“一切皆有可能”。

恒星托儿所的生活

先把上面的问题搁置一边，标准模型可以很好地解释观测到的孤立的恒星形成云核。但是许多或者绝大部分的恒星是在星团中形成的，标准模型无法囊括这一嘈杂的环境对恒星形成的影响。近些年科学家们已经发展出了两个彼此竞争的理论来填补这一空白。而数值模拟计算能力的大幅提升则在完善这些理论上起到了关键作用。观测，尤其是来自“斯皮策”的观测，正在帮助天文学家区分它们。

在一个理论中，相邻云核之间的作用会变得重要。在极端情况下，许多非常小的原恒星会形成，快速地穿过星云，竞相吸积剩余的气体。其中一些会长得比其他的大得多，而失败者则可能会被抛射出星团，这就是游荡在银河系中的一类最小恒星的由来。这一被称为“竞争吸积”的理论受到了英国圣安德鲁斯大学的伊恩·邦内尔（Ian Bonnell）和英国埃克斯特大学马修·贝特（Matthew Bate）以及其他人的支持。

在另一个模型中，主要的外界影响并非来自云核之间的相互作用，而是气体中的湍流。湍流会帮助触发坍缩，而且恒星大小的分布反映出的正是湍流运动的谱特征而非后期恒星对物质的争夺。美国加州大学伯克利分校的克里斯托弗·麦基（Christopher McKee）、加州大学圣克鲁兹分校的马克·克伦霍茨（Mark Krumholz）以及其他人一起发展了这一湍流－云核模型。

[图片说明]：拥挤托儿所中的生活。与恒星形成标准模型的假设相反，新生的恒星会影响其他恒星的形成。“斯皮策”在圣诞树星团（NGC 2264）——一个包含有不同年龄恒星的稠密星团——中发现了一个例子。在高分辨率下，其中一些最年轻的恒星其实是紧密的原恒星群——在半径0.1光年的范围内聚集了10颗原恒星，如此近的距离使得它们可以相互影响。版权：NASA/JPL-Caltech/P. S. Teixeira (CfA)。

观测似乎倾向于湍流－云核模型，但是竞争吸积模型对于超高密度的恒星聚集区也许是重要的。一个非常有趣的例子是麒麟座中著名的圣诞树星团（NGC 2264）。在可见光下，在这一区域中可以看到许多明亮的恒星以及大量的尘埃和气体——恒星形成的标志。“斯皮策”的观测则发现了一个隐藏在其中的高密度星团，这个星团中的恒星正处于不同的发育阶段。它将为鉴别到底是湍流还是竞争吸积在这里发挥了作用提供佐证。

绝大部分辐射集中在长波波段的最年轻恒星都聚集在一个紧密的星群中。欧洲南方天文台的葆拉·泰克赛拉（Paula Teixeira）和她的合作者发现，它们的间距大约为0.3光年。这正是高密度云核从一大块星云引力坍缩的结果。而且，即使观测支持了湍流模型，这一图像也具有足够的分辨率来说明一些原先所认为的原恒星并不是单个的天体而是致密的星群。其中每一个在半径0.1光年的范围内都含有10颗恒星。它们如此高的密集度使得竞争吸积必定会发生，至少是在小尺度上。

因此，有了这些触发机制，恒星形成的环境作用就不是非此即彼的选择。根据具体的状况，湍流和竞争吸积都有可能发生。大自然似乎会利用所有可能的手段来造星。

大质量恒星

大质量恒星很稀少、寿命也短，但它们在星系演化中起到了非常重要的作用。通过辐射和物质外流，它们会向星际介质注入能量。在它们生命结束的时候，它们会以超新星爆发的形式把重元素抛撒回星际介质。银河系中充满了这些恒星产生的空腔（泡）和超新星遗迹。然而标准模型不能很好地解释它们的形成。一旦一颗原恒星的质量达到20个太阳质量的阈值，它们的辐射压会超过引力，防止它进一步增大。除了辐射压以外，大质量恒星所产生的星风会驱散形成它的星云，进一步限制它的生长，同时也会影响附近恒星的形成。

[图片说明]：冲破质量的上限。最近对恒星形成的计算机模拟显示，由于不均匀的生长，大质量恒星可以达到看似不可能的大小。来自原恒星的辐射会把气体吹散，在气体中产生巨大的空腔（泡），但是这并不能完全阻断气体的内流，因为物质会在这些空腔的间隙中形成丝状结构。上图为沿轴密度图；下图为垂直轴密度。从左往右：17,500年：原恒星形成，气体几乎均匀地下落。由下落气体释放出的引力势能造成了它发光；25,000年：当原恒星长到大约11个太阳质量的时候，其周围的盘就会变得引力不稳定，形成了螺旋结构；34,000年：当原恒星的质量超过了17个太阳质量，辐射会将气体吹散，形成空腔。但是周围的气体仍能流入。较小的原恒星形成；41,700年：较小的原恒星比中央恒星更快速地生长，并且很快在体积上超过了后者。吸积不仅在空间上变得不均匀，在时间上也变得不稳定；55,900年：数值模拟在中央恒星达到42个太阳质量、伴星达到29个太阳质量时终止。仍有28个太阳质量的气体剩余，它们最终仍有可能会落入恒星。版权：Science/Mark Krumholz et al.。

克伦霍茨及其合作者最近的理论工作为解决这个问题提供了一条途径。他们的三维模拟显示恒星会以各种错综复杂的方式生长。物质的内流会变得相当的不均匀；当星光向外辐射的时候，高密度区域和空腔就会交替出现。因此，辐射压也许并不是恒星继续生长的障碍。稠密的下落物质也会形成伴星，这也正是为什么大质量恒星很少是单颗的。目前正在使用“斯皮策”对大质量恒星形成区进行巡天观测来寻找证据。但是证认这一模型将会是非常需要技巧的。大质量恒星的稀有性和短寿命使得天文学家很难捕捉到它们的形成过程。

幸运的是，新的设备在不久的将来能帮助我们回答这个以及其他和恒星形成有关的问题。赫歇尔空间天文台和平流层红外天文台——一架飞行于地球大气中会阻碍观测的99%水汽之上的波音747飞机——将会在远红外和亚毫米波段上进行观测，在这些波段最容易看到恒星形成。它们所具有的空间和谱分辨率可以测量出星际云的速度特征。在更长的波段上，目前正在智利建造的阿塔卡玛毫米波大天线阵（ALMA）将会向我们展现出单颗原恒星的精致细节。

有了这些新的观测，天文学家希望能追踪星际介质从原子云到分子云到星前云核到恒星再最终变回弥漫气体的整个循环过程。他们也希望能以足够的角分辨率观测到形成中的盘，由此来追踪从星云中下落的物质并且比较不同环境对恒星形成的影响。

对这些问题的解答还会波及到天体物理学的其他领域。我们看到的所有东西——星系、星际云、恒星、行星、人——都源于恒星形成。我们目前的恒星形成理论并非错误百出，但它自身的缺陷使得我们无法解释现今宇宙中许多最重要的现象。从这些缺陷处看去，我们看到恒星形成是比以往任何人所预想的更为丰富多彩的过程。

（本文已刊载于《环球科学》2010年第3期）

[Scientific American 2010-02]
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根据国际流星组织报告，今年的英仙座流星雨有望在北京时间8月13日凌晨出现峰值，届时每小时预期可以看到超过60颗的流星，甚至还有可能达到每小时大约100颗。此次仙座流星雨极大的具体时间为北京时间8月13日2时至15时。当天的娥眉月不会对观看流星雨构成干扰。

[图片说明]：北京时间8月13日凌晨到日出前英仙座流星雨有望会出现每小时大约100颗流星的峰值。版权：Astronomy/Roen Kelly。

如果你把英仙座流星的轨迹反向延长，它们会相交于英仙座（《诸神之战》的主角），由此得名。8月中旬每天夜深之后英仙座就会慢慢升起，此后它在天空中的位置会逐渐变高。因此观看这次英仙座流星雨的最佳时间大致在8月13日日出前2～3小时，方位在东北方向。

产生英仙座流星的是斯威夫特-塔特尔彗星所播撒下的粒子。每年当地球穿过这些粒子的时候，它们就会撞入地球大气，成为明亮、快速的流星。

为了能看到更多的流星，最好选择一个远离灯光的开阔地点。观看流星雨的最佳方式则是直接通过肉眼，无需望远镜的辅助。

流星雨为每个人提供了目睹宇宙奇观的机会。和家人、朋友一起带上折叠躺椅、驱虫剂和毛毯去享受这一神奇吧。

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也许大爆炸之后由暗物质驱动的奇异恒星会率先形成。

[图片说明]：版权：Sky & Telescope/Casey Reed。

科学版的《创世纪》告诉我们，宇宙起源于137亿年前，而宇宙中的第一代“居民”——恒星——则要等到大爆炸之后大约1亿年才会闪亮登场。即便根据恒星的标准，第一代恒星也都是“巨人”。它们要比现如今的任何一颗恒星都更大、更亮、燃烧得也更快。

不过，如果有关恒星形成的一个新理论是正确的话，那么第一代恒星会比科学家们先前想象得还要更奇特，原因就在于它们和暗物质之间的相互作用。暗物质是一种不可见的“物质”，它们占据了宇宙物质的80%。

类似我们太阳的恒星通过把较轻的元素聚变成较重的来与其自身巨大的引力相抗衡免于坍缩。但物理学中一些最流行的理论认为，组成暗物质的粒子同时也是自身的反粒子。这就带来了一种有趣的可能性，第一代恒星的能源可以源自聚集在其核心处的暗物质的自湮灭过程。这些“暗星”的温度要比由核聚变维系的恒星低，但个头会更为庞大。“它们仍然是恒星，主要由氢和氦组成。暗物质的比重小于总质量的1%，”美国密歇根大学的Katherine Freese说。

Freese和美国犹他大学的Paolo Gondolol以及加州大学圣克鲁兹分校的Doug Spolyar一起于2006年首次研究了暗星。他们说，如果暗星存在，它们会通过推迟第一代“正常”恒星——被称为星族Ⅲ——的形成10亿年来改变早期宇宙中的化学组成。暗星同时还能解释为什么超大质量黑洞能在大爆炸之后不久如此快速地形成。

暗星演化

在大爆炸之后，宇宙是一片由均匀分布的粒子组成的海洋，没有结构，没有光亮。这些粒子中有一小部分是我们熟悉的普通重子物质，但其余的绝大部分则是暗物质。随着时间的流逝，暗物质粒子并合形成了复杂的蛛网状结构，其中的细丝会相交形成结点——暗物质晕。受到大质量晕的引力吸引，重子物质会沿着这些纤维状结构运动，并且在晕中聚集成气体云。它们会在自身的引力作用下坍缩成发光的气体结，形成第一代的原恒星。随着原恒星质量的增大，体积会不断减小，直到它们的核心达到了能启动核聚变的临界密度和温度。

在这一标准图像中，暗物质晕就是恒星的温床，正是在那里重子物质得以聚集并最终孵化出恒星，不过暗物质并没有直接影响恒星的形成。然后，Freese以及同事提出的计算机模型正在挑战这一观点。“在标准模型中，一片原恒星云会坍缩直到它体积、密度和温度足以点燃核聚变，”Freese说，“我们要说的是，这里存在一个中间阶段，在很长的一段时间里暗物质可以为它提供能量。”

在这部修改过的恒星演化史中，暗物质不再仅仅是第一代恒星登场演出的背景。早期宇宙中暗物质的空间密度要比现在的高得多，因为当时的宇宙仍处于膨胀的早期比现在要小得多。因此第一代恒星会沉浸在暗物质中。像风一样，暗物质也会吹拂着第一代恒星。第一代原恒星会吸引暗物质粒子并把它们聚集到自己的核心。如果原恒星中暗物质的密度超过了一定的阈值，这些粒子就会碰撞并且自湮灭发射出高能光子、中微子和电子。在暗物质自湮灭的过程中，物质会以比普通核反应高得多的效率转化成能量，因此少量的暗物质就能为整颗恒星提供能量。

重要的是，暗物质的“燃烧”可以阻止原恒星进一步引力坍缩，在它的核能引擎被启动前的胚胎期使之“冻结”。结果是，暗星会异常的庞大，比正常的星族Ⅲ还要巨大。它们的直径可以从1个天文单位（日地平均距离）到大约30个天文单位——相当于从太阳到海王星的距离。同时，鉴于一颗正常的星族Ⅲ恒星可以达到100个太阳质量，最近的研究认为，最大的暗星质量也许会在1,000～10,000个太阳质量之间。暗星看上去会呈类似太阳的橙黄色，但由于其巨大的表面积它们中最大的可能会比太阳亮上十亿倍。“相比之下，标准星族Ⅲ恒星的温度会更高、颜色也更蓝，”Freese说。

[图片说明]：恒星比较。恒星的特征由它们的组成、质量和能源决定。诸如暗星和红超巨星这样巨大的恒星都具有强劲的能源，由此来使得它们的大气膨胀，进而表面看上去温度较低。“暗星”这个名字其实并不恰当。由于它们巨大的表面积，它们的亮度可以相当于几百万个太阳。类似暗星，星族Ⅲ恒星也只存在于早期宇宙中，但它们由核聚变驱动而不是暗物质湮灭。版权：Sky & Telescope/Casey Reed。

计算机模拟预言，只要周围暗物质密度足够高，暗星就可以存在。在最差的情况下，暗星应该可以存在大约100万年。如果暗物质晕非常大或者有从外界来的暗物质粒子注入，它们甚至可以存在数十亿年。一些原初的暗星还有可能幸存至今。“我们也许会发现这些仍然在发光的第一代恒星。那就太棒了，”美国斯坦福大学的Igor Moskalenko说。

宇宙的结果

一旦暗物质能源被耗尽，暗星的命运将取决于它的质量。仅有几百个太阳质量的暗星在用完暗物质储备之后会“解冻”。它们会转变为正常的由核聚变驱动的恒星，并且继续存在上几百万左右，直到超新星爆发把自身的重元素播撒到宇宙中去。

但是对于最大质量的暗星要想重回普通恒星的生活却是不可能的。它们令人难以置信的质量会使得它们直接坍缩成黑洞。暗星因此可以解释类星体——中心具有超大质量黑洞的明亮星系——是如何在大爆炸之后仅数亿年就已经存在的，这比目前绝大部分的理论预言都要早。“在目前的理论中，如果没有暗星，一个只有几个太阳质量的黑洞没有足够的时间能成长为可以解释类星体所需的百万太阳质量的黑洞，”Gondolo说。

暗星也许还在终结宇宙的黑暗时代上发挥了作用。宇宙的黑暗时代是大爆炸之后的一个完全黑暗时期，新生的氢和氦原子吸收了宇宙中的所有光。按照标准理论，需要不同代恒星和星系的紫外光来瓦解或者电离这些原子，使得宇宙变得透明。但暗星可以造就出更大、更强劲的由聚变产能的恒星，这可以加速宇宙再电离的过程。Freese说，暗星还可以通过推迟标准星族Ⅲ恒星的形成来推迟再电离。“我对此无所适从，”她说，“暗星会影响再电离，但我们并不知道它会朝哪个方向发展。”

[图片说明]：暗星的生命循环。1.早期宇宙中暗物质沿着纤维结构聚集；2.重子物质沿着这些纤维流动并且在引力作用下并合成大型的气体云；3.暗物质和重子物质在这些气体云中一起坍缩。重子物质冷却并且吸引暗物质；4.气体云在引力作用下坍缩形成第一代恒星；5a. 最大的暗星最终坍缩成大质量黑洞，它们是星系中央超大质量黑洞的种子；5b.较小的暗星最终耗尽暗物质，随后改由核聚变驱动；6. 当核燃料用完后，这些恒星会以标准的核心坍缩型超新星爆发；7.这些超新星中的一些最终会形成恒星质量的黑洞。版权：Sky & Telescope/Casey Reed。

美国哈佛大学史密松天体物理中心的Lars Hernquist说，暗星无疑会改变很多事情。“因为这些恒星是寿命远比1百万年长得多的辐射源，那么早期宇宙看上去就会大为不同，”他说。

但Hernquist也补充说，虽然暗星很有趣，但它们也还是猜测，“因为科学家所使用的模型利用了一些假设，而且他们的计算也相当地简单。”

例如，史密松天体物理中心的Avi Loeb说，暗物质晕稠密的中心区域——被称为尖点——在和重子物质的相互作用中很容易就能被瓦解。“除非有三维数值模拟能坚实地证明这些尖点的存在，否则我不相信暗星会真实存在，”Loeb说。

寻找暗星

暗星的首个证据也许并不会来自计算机模型，而是来自天文学家。法国巴黎天体物理研究所的Fabio Iocco认为，暗星会推迟标准星族Ⅲ恒星的超新星爆发几千万到几亿年。“最好的证据也许就是能找到由于暗星机制而导致的星族Ⅲ超新星爆发的推迟，”Iocco说。科学家怀疑，如果这一推迟时间足够长，未来的空间望远镜就能观测到第一代的超新星爆发。

下一代卫星也许还能探测到早已消失的原初暗星所发出的光。理论预言，来自早期暗星的光在到达我们这里的时候会被“移动”到远红外波段。“我们寄希望于詹姆斯·韦布空间望远镜上的红外探测器，但暗星最终也有可能太暗而无法被它探测到，”Gondolo说，“因此我们还在探索其他方法。”

另外，空间探测器还可以寻找一直幸存至今的、被冻结的暗星。质量以及化学组成和由聚变驱动的恒星一样，但暗星的体积会更大、温度也会更低。它们的温度会和太阳类似，但亮度大约是太阳的100万倍。如果天文学家发现一颗恒星具有这些奇特的性质，它就有可能是自宇宙创生至今一直陪伴在我们身边的这些天体存在的证据。

Ker Than是居于美国纽约的科学新闻记者。

（本文已刊载于《中国国家天文》2010年第3期）

[Sky & Telescope 2010年03月]
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  冰海之下探测中微子

  探测来自太阳以外的中微子的想法可以追溯到上个世纪50年代末。现在，贝加尔湖底的中微子探测器、地中海中的中微子探测器以及南极在建的千米尺度的中微子望远镜正在不断实现这个梦想……

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平流层红外天文台，简称“索菲娅”（SOFIA），就是一个架设在波音747SP宽体飞机上的天文台，其中望远镜的口径2.5米，重20吨。“索菲娅”的飞行高度为大约1.2万米，位于地球大气中的平流层，因此得名。如果能在今年或者明年正式投入科学运转的话，它将成为世界上最大、最先进的机载天文台。

那么，为什么要把一架如此“笨重”的望远镜塞进飞机里呢？这一切都要从210年前的一项发现说起。

[图片说明]：飞行中的“索菲娅”，其望远镜舱处于“大开”状态。版权：NASA。

以“红外”之名

1800年，著名德裔英国天文学家威廉·赫歇尔又在他“重要发现”的清单上添上了一笔。

和牛顿一样，他用棱镜将阳光分散成了彩虹一般的光谱。但和牛顿不一样的是，接下去他用温度计测量了每种颜色的温度。事实上，在测量的过程中，赫歇尔使用了三个温度计，其中一个用于对光谱进行测量，另外两个则置于光谱之外用作对照。当他测量紫色、蓝色、绿色、黄色、橙色和红色光的时候，他注意到所有颜色的温度都要高于对照温度，并且从紫到红温度还在升高。于是，他决定测量光谱中红色区域之外“空无一物”地方的温度。让他惊讶的是，这一区域的温度甚至比红色的还要高。

赫歇尔把这部分位于光谱中红色区域之外的辐射称为“热射线”，他通过进一步的实验发现“热射线”可以像可见光一样反射、折射、吸收和发射。后来，根据它在光谱中的位置，“热射线”被重新命名为了“红外线”或者“红外辐射”。赫歇尔这一实验的重要性并不仅仅在于发现了红外线，更重要的是这是第一次发现了人类肉眼看不到的辐射形式，它同时还为日后的天文学研究打开了一扇新的窗口。

红外天文学的目的就是探测和研究宇宙中的天体所发出的红外辐射。红外辐射的波长为1～1,000微米（1毫米），物体中原子和分子的热运动所产生的辐射是它的主要来源——温度在3到3,000开的物体都会发出峰值在这一波段的辐射。而天文学家目前最为关心的诸多天文过程也都会牵涉到红外辐射，例如早期宇宙中的星系，银河系和河外星系中的恒星形成，恒星周围的原行星盘以及其中的行星形成，生命前驱分子和化合物的形成与演化，行星大气、光环以及彗星的组成和结构等。

[图片说明]：在红外波段下物体会呈现出与可见光下不同的形态。不同物体的红外像也千差万别，这里给出了温血动物和冷血动物的比较。版权：NASA/Tom Tschida。

在触及如此之多诱人领域的同时，红外也有其本身的局限性。因为地球大气层中的水汽和二氧化碳会吸收掉天体所发出的绝大部分红外辐射。只有在极窄的波段内，红外线才能穿透（或者部分穿透）大气到达地面。除了吸收之外，地球大气还会造成另外一个恼人的问题。它自身会发射出很强的红外辐射，而且在通常情况下比来自天体的红外辐射还要强得多。

因此为了能在地面上进行红外观测，天文台通常都会选择建在干燥的高山上。但即便如此，绝大部分的红外辐射还是会被挡在地球大气之外。于是为了摆脱大气的干扰，就必须把望远镜送入太空。但目前空间望远镜的弱点是口径不能做得很大，例如美国宇航局斯皮策空间望远镜的口径仅为0.85米。或者，虽然欧洲空间局赫歇尔空间天文台的口径达到了惊人的3.5米，但13亿欧元的成本也同样骇人。

做为地面和空间红外观测能力的补充，“物美价廉”的“索菲娅”（耗资大约3.3亿美元）就此应运而生。它的飞行高度使得它可以远离地球大气中99%会阻碍观测的水汽，在整个红外波段的覆盖率也可以达到85%。

除了这一优势之外，“索菲娅”可以飞临地球表面任何一点上空的机动性则是它的另一卖点，因为它拥有一对实实在在的翅膀。

飞行器上的天文梦

机载天文学的历史其实可以追溯到航空史的早期，20世纪20、30年代在双翼飞机上进行了首批机载天文观测。1923年9月10日美国海军进行了首次机载天文学尝试。当天共出动了15架双翼飞机，其目的是从空中确定日全食的中心线。飞行员携带了一些常用的照相设备，拍摄了30张照片，但没有一张拍摄到了日食。虽然出师未捷，但着实引起了媒体和大众对机载天文学的兴趣和支持。

在上个世纪60年代之前，对日全食的观测成为了机载天文学的核心内容。飞机的机动性使得观测设备摆脱了天气因素的干扰，并且可以追随着月亮长时间地对日全食进行观测。

到60年代中期，由于新的红外传感器的问世，红外天文学开始蓬勃发展，机载天文学也出现了变化。飞机所能飞到的高海拔以及当地低温、干燥的大气环境，使得飞机在红外天文学中的作用受到了重视。再加上50年代喷气式飞机的普及和尖端望远镜技术的发展，机载天文学快速扩张到了这一新的领域，形成了现如今机载天文学的雏形。

1964年美国宇航局购买了一架康维尔990飞机用作空中科学平台。它的首个空中任务是发生在1965年5月30日的日全食。1967年至1969年间天文学家又以此为平台进行了多次红外观测，其中对金星的近红外分光观测证明它的云层并非是由原先所认为的水构成的。

[图片说明]：“索菲娅”望远镜舱的特写。版权：NASA/Tom Tschida。

1968年一架用于红外观测的30厘米望远镜被安装到了美国宇航局里尔喷气机的全开放舱体中。它首次测量了木星和土星的内部能量，对猎户星云进行了红外观测，研究了恒星形成区和银河系中心的红外源。

1974年美国宇航局以C-141运输机为平台的柯伊伯机载天文台问世，它可以搭载大约20名科学家滞空7.5小时。在服役的21年里，柯伊伯机载天文台取得了丰硕了成果：发现了天王星的光环，探测到了彗星中的水汽，发现了冥王星的大气，研究了超新星1987A的结构和演化、银心的尘埃和气体分布、星际介质中受激气体的辐射以及形成恒星的星云的结构等。此外它还帮助研发了新的仪器和技术，训练了年轻科学家并且为美国中、小学科学教师提供了飞行机会。

现在历史又从“柯伊伯”传承到了“索菲娅”，后者具有更为绚烂的科学前景。而它20年的工作寿命更是让那些“短命”的红外空间望远镜相形见绌。在它所能观测的目标中，小到星际尘埃、大到恒星乃至星系无所不包，但最吸引人的还是它能揭开行星形成的秘密。

远观行星的诞生

虽然银河系中充满了各式各样的行星系统，但天文学家并不知道它们到底是如何形成的。这是因为普通的望远镜无法看穿孕育行星的巨大而稠密的星云。不过工作在红外波段的“索菲娅”可以拨开云雾直击它们的形成过程——揭示出分子是如何聚合成行星的整个过程。

更具体地，“索菲娅”的观测能帮助天文学家确定“行星雪线”的位置。在年轻恒星周围的气体、尘埃盘中，位于雪线以外的水会凝固成冰。由于雪线周围非常适合冰块和岩石的聚集，因此大质量的行星核会通过类似滚雪球的方式在那里形成。一旦形成了一个足够大的核，它的引力就会强到能够俘获气体，氢分子和氦分子就会向它聚拢。最终它们会长成类似木星和土星的气态巨行星，如若不然它们则会成为较小的岩质或者冰质行星。

[图片说明]：“恒星周围形成行星的原行星盘的想象画。版权：NASA/JPL-Caltech。

此外，“索菲娅”还能在原行星盘中确定出氧、甲烷和二氧化碳等这些物质的位置。了解这些物质的位置就能为它们是如何聚合到一起的提供线索，由此就能反映出行星是如何形成的。

虽然前景诱人，但“不积跬步，无以至千里”。在2009年行将结束前“索菲娅”向前又迈出了重要的一步。

“开舱”试飞

2009年12月18日，“索菲娅”进行了测试飞行。飞行持续时间1小时19分钟，其中有2分钟望远镜所在的舱门处于完全开启的状态。其目的是使得工程师能够了解望远内部以及周围空气的流动情况。

这是第一次“索菲娅”在飞行过程中将2.5米红外望远镜的舱门完全打开，使之整个暴露在空气之中。这也是证明其可行性的重要一步。除了针对飞机的测试飞行之外，2010年春季还将进行两次针对望远镜观测能力的测试飞行。在届时的白天飞行中，会对望远镜的震动隔离系统、内部稳定系统和指向控制系统进行测试。这些飞行的目的是为望远镜的首次工作飞行做好准备。这一工作飞行将是科学家们第一次正式使用这架望远镜并且对“索菲娅”的表现进行评估。

做为一个美国宇航局和德国航天中心的联合项目，“索菲娅”早在2004年其望远镜便进行了首次地面测试，但之后不到两年即被“叫停待审”。所幸在随后4个月的时间里它通过了美国宇航局的评估，得以继续。从经验来看，但凡历经坎坷的望远镜都能被载入史册，而本身就非常特殊的它也许也不会例外，因为它是飞翔在平流层中的“索菲娅”。

（正文已刊载于《新知客》2010年第3期、插页已刊载于《天文爱好者》2010年第7期）

扩展阅读

• 斯皮策空间望远镜5年之科学成就2009年5月15日，美国宇航局的主力红外空间望远镜“斯皮策”终于耗尽了它最后一滴用于制冷的液氦，结束了为期五年的“低温”使命。让我们跟随它一起去探访那些宇宙隐藏的角落……

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随着《钢铁侠2》的上映，观众们也纷纷进入影院再一次目睹亿万富翁、坏小子兼天才的托尼·斯塔克的新一轮冒险。但从科学的角度来讲，影片中所呈现的在家中建一个粒子加速器来制造新元素是否可能呢？

简短地回答：是的，你可以自己建造一个粒子加速器。事实上，物理学家加来道雄在念高中的时候就在其父母的车库里建了一个230万电子伏特的加速器，因为他想玩一下反物质。这一高中生的“玩乐”立即吸引了美国“氢弹之父”爱德华·特勒的眼球，他为加来道雄提供了哈佛的奖学金并开启了他的物理学生涯。

更长一点的回答则稍微有一些复杂。建造加速器的材料包括了一个较大的真空粒子束管、带电粒子、能弯曲粒子束的磁铁以及能加速粒子的射频振荡器或射频腔。根据电影屏幕上的画面，斯塔克的加速器似乎缺少了射频腔（当然它有可能位于画面之外），同时他所用的磁铁也不够大。

另一个问题是自制加速器的能源。以美国布鲁黑文超导对撞机为例，其一万亿兆瓦的功率相当于10,000或者15,000个家庭的用电。对于斯塔克而言，如果他想运行他的加速器，必须要和电力公司打好招呼，或者家里有强大的发电设备。不过他既然能设计制造出钢铁侠的盔甲，找到运转加速器的能源应该不是最大的问题。

斯塔克的最大问题是制造那种电影中虚构的新元素。在近几十年中，世界各地的加速器已经制造出了若干种新元素。这些重元素因为不稳定会在几毫秒内衰变，因此无法存在很长时间。一般来说，人工合成元素越重，它的寿命就越短。但最近却发现，它们的寿命似乎可以延长，因此可能会存在一种至今尚未被发现的元素，它既重又稳定。兴许这一元素会有着激动人心的应用前景。

[Discovery News 2010年05月11日]

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恒星就像普通人一样，有生老病死。当大质量的恒星走到其生命终点的时候，会以剧烈爆炸——超新星——的形式结束它“光辉”的一生。爆发之后它会留下遗骸，一颗中子星或者一个黑洞。但如果这个遗骸比上质量太小无法成为黑洞，比下质量太大无法形成中子星，又会怎么样？

事实上，一直到最近天文学家们都不认为在中子星和黑洞之间会存在一个“灰色地带”，大质量恒星死亡的产物必定是中子星和黑洞这两者之一。

然而现在兴许有一种奇特的恒星能填补这一空白。虽然它们还没有被观测到，但天文学家们相信“奇异星”（又称“夸克星”）应该是存在的，而科学家们也仅仅是刚刚才认识到这类天体究竟有多“奇异”。

奇异的诞生

首先，中子星、夸克星和黑洞都是通过相同的机制诞生的——超新星爆发。但是，这三者的质量呈递增关系，因此通过超新星产生它们的恒星的质量也必定是递增关系。

那么，如果一个恒星发生爆炸，它的产物怎样才能算是一颗中子星呢？构成中子星的中子物质具有一种特殊的性质——中子简并，它们可以产生向外作用的中子简并压。当中子星自身向内的引力和向外的中子简并压达到平衡的时候，中子星就出现在你眼前了。

如果从超新星中诞生的这颗中子星质量太大，中子简并压无法抵挡向内的引力，结果会如何呢？

在这种情况下，夸克就会挺身而出取代中子，防止天体进一步坍缩。这里所说的“夸克”是比中子更小的物质单位，1个中子由3个夸克组成：2个下夸克和1个上夸克。

当夸克简并压和引力间达到平衡之后，一颗夸克星就此诞生。这时自由的上夸克和下夸克就会转变成奇异夸克。因此，夸克星其实是由奇异夸克物质所组成的，也正是因为如此它们还被称为奇异星。

[图片说明]：中子星（左）和夸克星（右）的比较。版权：NASA。

不同寻常的发现

迄今传统观点一直认为夸克星的尺寸应该比中子星小。这看上去似乎是合理的，因为夸克星是在中子星的基础上进一步坍缩而成的，这使得其中的物质会变得更加致密，于是占用的体积就会减少。但根据一个由德国、瑞士和美国科学家组成的国际合作小组的最新计算，夸克星实际上可能会比它们的表兄中子星大。但这怎么可能呢？

这些复杂的计算牵涉到中子星和夸克星的“状态方程”，它描述了组成这两类天体的物质本身的性质。他们的计算结果显示，一颗质量为太阳2.5倍的夸克星会比质量为太阳2倍的中子星要来得大。

这一发现对于寻找潜在的夸克星而言是非常有趣的。如果天文学家发现了一颗具有2.5个太阳质量的大型中子星的话，也许他们真正看到的其实是一颗夸克星。

一旦发现了夸克星，它不仅对于天文学家而言具有重要的意义，对于在欧洲核子中心工作的物理学家而言也是如此，他们可以借此获得自然产生的“奇异夸克物质”的大量信息。虽然大型强子对撞机可以制造出高温“夸克胶子等离子体”，但实验室里至今还无法制造出奇异夸克物质，所以夸克星的发现将会惠及天体物理学家和粒子物理学家。

然而，故事还没有结束。奇异星还能更“奇异”。

大爆炸实验室？

在另一项研究中，科学家为夸克星进行了仔细地“体检”，并且试图把它推向极限。一个有趣的问题是，给最大质量的夸克星再添加一点物质的话会发生什么？在它坍缩成黑洞前是否还存在一个超越于夸克星之外的状态？

根据已知的粒子物理标准模型，一颗大质量的夸克星会具有足够的引力能来“燃烧”奇异物质。在强引力的作用下，夸克星核心里的夸克也许会被快速地“燃烧”，进而转变成纯粹的能量和中微子。

[图片说明]：弱电星结构。

但真正令人着迷的地方是，由于夸克星极为致密，甚至连在通常情况下能穿透一切的中微子也无法逃离。于是，燃烧夸克所产生的这些能量和中微子就会形成向外的压力来抵抗引力。科学家们将这样一颗夸克星称为“弱电星”。计算发现弱电星可以处于这一稳定状态大约1千万年，而此时它可以同时具备苹果的“身材”和两个地球的质量。

现在压轴戏要上演了。弱电星的核心由此会具有极端高的密度，只有大爆炸之后十亿分之一秒的宇宙才能与之匹敌。这些极端的天体将会像是一个迷你的宇宙大爆炸实验室，在其中的高压之下电磁力和弱相互作用力（四种基本作用力中的两种，另外两种为引力和强相互作用力）会非常接近，几乎无法区分。这为进一步深入认识自然界的基本作用力提供了绝佳的机会，甚至还有可能会引发新的物理学革命。

虽然奇异星奇异得让人不敢相信它们会真实地存在于宇宙之中，但天文学家们正在倾其所能来寻找它们。随着下一代望远镜和其他探测设备的投入使用，这些奇异的天体说不定会给我们一个谁都不曾料想到的惊喜。

（本文已刊载于《百科知识》2010年第3期A）

[Discovery News 2010年01月19]

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