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珊ぴ印Ｗ匀唤缰泻阈堑牡募扑憔徒驳秸饫铮馓准扑惆擞眉扑慊蠼馕侍獗匦胩岢龅乃懈魈趵硐牖偕琛Ｄ敲凑饫锼驳难荼涠圆欢阅兀克唤鍪羌扑慊硌荩以谧匀唤缫舱娴姆⑸穑磕敲椿氐教焐夏切┖阈腔乖诘乃诘兀厝タ纯茨切├渡抗舛鹊哪昵岷阈前桑∪梦颐窃谀抢镅罢液阈瞧鹪吹暮奂＃榉美扑闼沂镜奶焯濉＠渡抗舛群阈欠浅Ｈ龋堑谋砻嫖露却�35000度左右。因此它们发出的辐射能量非常大。它们的光量子能夺走星际物质中氢原子的电子，只剩下带正电的原子核也就是电离氢。强光度、大质量恒星使附近的气体物质电离。电离氢原子捕获电子时发出辐射，这样所产生的亮光使我们银河系中这些电离氢区引起人们的注意。它们的热辐射也可以用射电天文仪器测出来。射电观测有个优点，就是不受吸光尘埃物质的影响。在天上，星际物质受强光度、大质量恒星激发而放光的最漂亮实例还得数猎户座星云（见图12…1）。那里有没有和拉森的计算结果相关联的对象呢？人们应该去寻找什么？原恒星大部分时间被缓慢地落向它自身的尘埃外壳所遮盖。外壳上的尘埃物质吸收来自核心的辐射而获得能量，升温几百度，发出和这种温度状态相应的辐射。要找出这种热辐射，人们应当致力于红外波段的研究。1967年，帕萨迪纳市加利福尼亚理工学院的埃里克·贝克林（EricBecklin）和格里·诺伊格鲍尔（GerrgNeugebauer）在猎户座星云中发现了一颗红外星，它的本身光度约为太阳的1000倍，辐射温度为700度。它的直径也许有太阳直径的1000倍左右。这可算得上是一颗原恒星的气体尘埃外壳模样了。近些年来人们愈来愈清楚地了解到，在银河系中产生恒星的场所，不仅有红外源而且还有射电波段致密辐射源。波恩的射电天文学家彼得·梅茨格尔（PeterMezger）和他的合作研究人员就曾在猎户星云中发现一批氢元素高度密集的区域。这些区域在发出特强的射电辐射，其中每立方厘米所包含的由氢原子中脱离出来的自由电子数比附近的一般猎户星云物质大致要多百倍。这种天体比起整个猎户星云来是非常微小的，据估计，其大小约相当于太阳直径的500000倍，也就是大约为拉森
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模型中落向核心的云团大小的1/4。人们在猎户星云区还发现了直径很小的，发出分子辐射，特别是水分子辐射的天体。这些分子的辐射处在射电波段，可以用射电望远镜观测到。它们也都处在很小的空间范围中，甚至只有太阳直径的1000倍。值得注意的是，拉森云团的初始直径有太阳半径的几百万倍！分子的射电辐射应该是来自核心区域。不过，在解释这个问题时还应认真谨慎。能够肯定的答案是，人们在猎户星云区观测到了由高度密集的气体和尘埃所成的天体，尽管它们在可见光波段并不引入注目，但其情况正好和拉森云团所应有的一样。不过，还有其他的论据支持这种密集物质射电源兼红外源就是原恒星的想法。不久前，在我们这个研究所里有一个以奥地利天文学家维尔讷·恰努特为主的小组，改进了方法，重复了拉森的计算。这些学者还计算了红外波段中辐射强度随波长的分布，所得结果和观测相符，人们似乎真的观测到了计算机所模拟的原恒星。既然我们对恒星起源的推测胜利在望，人们会问，是不是银河系中千亿恒星的起源全都可以这样来解释。图12…3概括地画出了我们这个恒星系统的结构。银河系圆盘并不包括一切恒星。最老的星散布在一个几乎是球状的空间范围里，叫做银晕。由其中的球状星团的赫罗图可以推知银晕恒星已届老年，它们的化学成分比起太阳来，重于氦的元素含量较少，往往还不及太阳的1/10。比较年轻的恒星全都位于银河系圆盘即银盘中，它们的物质包含重元素较多。重于氦的元素，即使在银盘恒星中也只占极少的百分比，然而它却为我们探明银河系的演变史提供了重要的线索。氢和氦从宇宙之始就已经存在，在某种意义上可以说是上帝安排的。重元素则肯定是后来在恒星中以及超新星爆发过程中产生的。可见银晕恒星和银盘恒星的化学成分差异和恒星中的核反应情况有关。在银河系刚形成之时或其后不久，银晕恒星便由几乎不包含重元素的物质中诞生出来。其中的大质量星演化得最快，它们所产生的超新星使星际气体沾染了重元素。可是这一代恒星中的小质量却演化得非常缓慢，以至它们的外层物质（以及它们之中的大多数星的中心区域）当前仍不包含重元素。在银晕恒星已经形成，其中质量较大的已经爆炸后，新一代恒星又从新增重元素的星际气体中产生出来。这些恒星诞生在银晕恒星之后，相对年轻，而它们的外层物质比银晕恒星的大气所包含重元素的比例要高。这就是为什么银河系中老一代恒星包含重元素比年轻一代恒星要少的原因。最新一代恒星的外层重元素含量最高，这是因为孕育它们的星际物质在银河系的演变史中经历了以前所有各代恒星所造成的沾染。那么，为什么含重元素贫乏的年老恒星出现在银晕中，而含重元素丰富的恒星则出现在银盘中呢？当前，人们相信自己对银河系结构的规律是了解的。为此我们要重温一下学生时代的一章物理课内容。
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角动量和坍缩云几条“守恒定律”大大简化了人们对物理世界的描述。在日常生活中人们反复不断地运用着这些定律而并不自觉。我们都记得在中学里所学过的质量守恒定律和能量守恒定律。这两条定律我们天天在用。我们大家都知道一个生动的应用实例。一位花样滑冰女运动员以脚尖着地旋转时，起先她伸展双臂转得很慢；当她收拢双臂时，不需外力之助就转得快了起来。这就是角动量守恒的结果。从冰上舞蹈家转而考虑一团自转云，虽然优美度稍逊，却是条理清楚。这个云团可能1000万年自转1周。当它坍缩到直径为原来的1/10时，它的自转就加快百倍，也就是自转一周只要10万年。再小下去，转得还要更快。粗略地说，一团近似地取为球状的星际云在坍缩过程中，单位时间内的转数和表面积相乘等于常数，即云团愈小转得愈快。但是离心力也就愈来愈大，在自转云赤道区它和引力对抗，使坍缩着的云团变成扁形。这不仅影响单独恒星的诞生，而且也和银河系的起源有关。探查银河系的演变史银河系从何而生，我们还不知道。在宇宙初期就产生并向各方飞散的物质中，一定是在某个时候形成了一个质量约为太阳的千亿倍的分立云团，而且后来密度变得更大。这团由湍动物质逐步成形的气体和一切物质一样，同时也产生了自转运动。它慢慢坍缩，密度变大到足以产生一批次级云团，而后者又分裂成更小的，密度继续增高的许多气体云。最早的恒星诞生了。它们只包含氢和氦，以质子…质子反应进行氢聚变。但是要不了多久，其中质量最大的那些星的核燃料就会耗尽，成为超新星而爆散，大量气体物质中从此新添了比氦更重的元素。因为这一切都发生在整个原始银河系云团还几乎是球形的时期＇见图12…4（a）＇，所以银河系中最老的恒星和极老的星团都处在银晕中。早在银河系呈现圆盘形以前，远在太阳诞生以前，银晕恒星就已出世了。重元素在这些星中还只是相当稀少的杂质。但是演变在继续推进。星际气体中的重元素不断增多，并且沉积在已经演化恒星所抛出的凝聚核上而形成尘埃颗粒。不久以后，自转运动明显了，密度继续增大的气体尘埃物质撇开球状银晕中那些早已诞生的恒星和星团而渐渐形成一个愈来愈扁的东西＇参看图12…4（c）＇。于是新生恒星的场所只剩下这个愈来愈扁的透镜状区域，而形成它们的物质的重元素含量愈来愈丰富。当最近期恒星终于在银盘中诞生出来时，大部分星际气体已
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经耗尽。恒星起源的第一阶段结束了。奥林·J·埃根（OlinJ。Eggen）、唐纳德·林登…贝尔（DonaldLynden…Bell）和艾伦·R·桑德奇1962年在美国加利福尼亚州帕萨迪纳提出了关于银河系如何形成的宏伟总体图。从那时以来虽然已经过去了20多年，但是它对人们的吸引力和当年相比仍然毫不逊色，因为它能够说明银河系的主要特点：最老的恒星位于球对称形状的银晕中，重元素贫乏；最年轻的恒星目前诞生在一个薄盘中，因为只有那里还有星际气体。我们所处的这一恒星系统之所以成为一个圆盘，是由于孕育银河系的云团始终包含角动量。我们看到天上有一条银河，也要归因于这种角动量。恒星的形成是什么引起的当前，是什么原因使星际物质在银盘内某些场所密聚而形成恒星？为什么银河系中别处没有恒星诞生？从宇宙空间远处看来，银河系有点像仙女座星云：旋涡结构明显的一个扁盘（见图0…1）。别的恒星系统中有的旋涡结构比它要明显很多（见图0…4）。遥远恒星系统的图片上旋臂之所以显得突出，是因为其中电离氢受激而发光。但是我们由猎户星云已经知道，氢是被强光度大质量主序星所电离的。所以，旋臂就是年轻恒星所在之处，也就是恒星正在诞生的场所。在银河系中，年轻恒星也正是密密麻麻沿着旋臂分布的。另一方面，用了射电天文方法人们已经能够把银河系中星际气体的分布探查得非常确切；人们发现，旋臂区的气体密度比银盘其他各处更高。结果是：旋臂是气体密度较高的所在，同时也是年轻恒星集中的所在。问题是：使得星系看起来好像滚动火轮的旋臂结构又从何而来？对旋臂的了解是长期以来的特殊难题。直到现在人们也还没有把有关的现象完全认识清楚。恒星系统在自转。测量了它们的自转速度（参阅附录A），人们了解到它们并不是像刚体那样自转，而是愈往外自转速度愈慢，星系中靠近内心的区域自转一周需时较短。乍看起来，星系出现旋臂结构似乎不足为怪。就连一杯咖啡加牛奶，搅拌起来也会出旋臂式的花样，这是因为离中心不同距离的液体转速不同。因此人们就会推想，不管一个星系的初始结构怎么样，由于转速不同，转到后来都要变成旋臂模样。卡尔·弗里德里希·冯·魏茨泽克说过，即使当初银河系长得就像一头牛一样，如今也会展现旋臂。若干年前我们在哥廷根对冯·魏茨泽克所提的牛状银河系作了试探性计算，直到不久前还在汉堡任教的阿尔弗雷德·倍尔（AlfredBehr）当时向我们提供了帮助。得到的结果画在图12…5中：大多数恒星还没有来得及绕中心转满一圈，牛状星系竟然化为一幅绝
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美的旋涡星系，可惜多出了一个挂钩。从随意决定的初始结构到形成旋臂图样，要不了1亿年，但银河系的年龄比这要大百倍。那么初始结构那么多次所形成的旋臂早就该套叠卷紧到惊人的地步，在中心周围缠绕百圈以上的旋臂应该形成了像密纹唱片那样的密纹，但是人们并没有观测到这样的情况。像图0…4那样，星系的旋臂并非上百层缠绕，所以它们并不可能是初始结构的残余。既然实测到的旋涡星系没有哪一个表现一套极细密的旋臂，我们�