是什麼恰到好處的力量控制著星系中恆星的形成?

本題來自知乎圓桌?宇宙那麼大,更多討論歡迎關注。


現在的兩個回答正好一個是講恆星形成的「大物理」(macrophysics),一個講「小物理」(microphysics),前者研究星系尺度上恆星形成的規律、巨分子雲的形成和演化等等,後者研究具體到某個分子雲乃至分子雲核內部的恆星形成。在不同的尺度上,影響恆星形成的因素是很不一樣的。我對小物理了解的更多一點,具體地說是~1pc尺度以下的分子雲團塊或者核的碎裂、坍縮和恆星形成。在這種過程中,起作用的「力量」有引力、湍流、磁場、星際輻射場、宇宙射線 、塵埃等等。

引力就不用多說了,導致分子雲碎裂和坍縮的力。對銀河系中所有分子氣體,如果只考慮引力,那麼它們會很快地(在一個自由落體時標內,取決於密度,大概幾十萬年)全部坍縮,形成分子雲核並最終形成恆星,由此可以估計一個恆星形成率(若干太陽質量每年)。而實際上我們可以通過其他方法知道銀河系中的恆星形成率(超新星爆發率、紅外巡天中YSO的個數等等),是1-2太陽質量每年,遠小於前面的估計。所以必然存在一些「力量」對抗引力,減緩分子雲核的坍縮。目前我們研究過的「對抗力量」包括湍流、磁場等。湍流實際上很籠統,包括了除去分子本身的熱運動、分子雲自身的動能等因素的其他所有成分,可能是分子雲間碰撞、原恆星噴流的反饋、超新星爆發的激波等等帶來的,主要在大質量恆星形成中起重要作用,而它具體是促進還是減緩恆星形成,現在還有很多未解決的問題,比如一方面它可以對抗引力,另一方面它可以擾動分子雲內的密度分布、促進引力束縛的緻密核的形成。磁場是近年來恆星形成研究的熱點之一,得益於觀測技術的進步,現在我們可以直接測量分子雲中的磁場強度和方向。由於磁凍結效應,分子雲坍縮時會擾動原有的磁場從而受到一個「阻力」,從而和湍流一起「對抗」引力,至於在這場對抗中磁場有多大作用?是和湍流平分秋色還是負責敲邊鼓?現在還沒有確定的答案。另外磁場在原恆星的吸積盤的形成中也有重要作用,有所謂的磁製動效應,可以把原恆星周圍下落物質的角動量轉移到磁場中以便這些物質形成一個盤。

星際輻射場(也就是光子,包括恆星核反應釋放的光子、宇宙微波背景輻射、同步輻射、軔致輻射等等)、宇宙射線和塵埃,前兩者可以加熱或者電離分子雲(宇宙射線有可能是加熱深度嵌埋在分子雲內部的雲核的唯一方式),後者可以冷卻分子雲(與分子碰撞或者吸收恆星釋放的紫外、光學波段的光子再釋放紅外波段的光子),他們共同決定了分子雲的「體溫」,或者說分子的熱運動,進而影響分子雲的碎裂和坍縮。

另外還有其他很多需要考慮的因素,比如金屬(除氫氦以外的所有元素)丰度、外部氣體壓力(通常來自包裹著分子雲的中性氫)、分子雲的形狀(據說纖維形有利於恆星形成),個人了解的不多就不說了。


盤星系,且不說盤星系吧,我們就說一個氣體盤

描述一個即將形成恆星的 氣體盤系統 的理論中有一個參數Q來衡量氣體盤的不穩定性,相關定義在《星系動力學》書上有介紹:

這個Q參數,也叫Toomre參數Q的分母部分體現的是整個氣體盤系統的引力有多大,分子部分衡量的是氣體自身的能量有多大,就像圖中文本里所說,這個Q比較小的時候意味著氣體盤比較冷,容易形成恆星

這個Q參數有點像在盤系統中的Jeans不穩定性,也是衡量引力能不能束縛住一個有點熱運動的系統的,如果你能估計出來氣體轉的有多快,速度彌散有多大,面密度有多大,可以用這個參數判斷一下是不是可以形成恆星了,有一陣子很多偏理論估算的文章會用Q是否小於1做恆星形成的判據,比如Krolik 1988年關於AGN塵埃環的文章是估計了一些參數後認為塵埃環里難有恆星行成,一些觀測的文章,比如Genzel對紅移2左右的星系的IFU觀測,會給出估計的Q是多大,基本都小於1,是不是有點跑題了

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上面說的是恆星在星系盤中形成,接下來是反饋,說到反饋比較流行的話題是AGN反饋,這就要說AGN,也就是活動星系核

活動星系核是星系中心的黑洞活動起來的時候,那個活動的中心的名字,具有活動星系核的星系叫做活動星系,中心黑洞沒有活動起來,或者中心黑洞活動的相當不明顯,叫做寧靜星系

活動星系中心的黑洞之所以能活動起來,源自星系多少給了黑洞一點可供吸積的物質,黑洞得到了一些可供吸積的物質後,開始以吸積盤的形式釋放引力能為輻射,輻射本身能曬到星系的尺度,輻射壓影響的物質也能拋出去到星系的尺度,這樣就形成了以能量和動量為主的兩種反饋信息,前幾年Fabian還寫了綜述講AGN反饋

遭到AGN反饋的星系並不是說就完蛋了,其結局有以下__種:一種是由於得到了來自中心的強大的能量,導致星系氣體被加熱,難以繼續形成恆星,於是恆星形成被停下來了,一種是由於中心能量比較猛直接把星系氣體吹跑了星系顯得很乾,沒有氣體可以繼續恆星形成了,一種是星系的氣體被外流壓縮什麼的局部氣體密度略大於是繼續形成恆星,一種是其它

還一種反饋來自超新星爆發,同樣是極端的能量過程,超新星爆發再怎麼說也會加熱一下本來都準備好形成恆星了的氣體什麼的

再有一種過程,這也不算是什麼過程,就是有一個話題吧,叫做AGN starburst connection,是想捋清楚星系尺度的恆星行程和星系中心那麼小的區域的活動星系核到底是個什麼關聯,比如說有團氣體要去星系中心點燃黑洞發光發熱,那麼是形成了大量恆星,不留神漏了一點氣體跑到星系中心了,還是在這些個恆星形成的時候不由自主的會有氣體拋向中心點燃黑洞呢,星系很多,AGN很多,各有各的難處,一個很簡單的麻煩在於AGN多少有點亮,不太容易看清星系的樣子

反饋是個很複雜的話題,抬頭看了一眼問題的我確認我跑題了


謝邀。
我本人不研究恆星形成,只能憑導論課上學的東西嘗試回答了。
恆星形成過程大的圖像是這樣:星際間氣體和塵埃組成分子雲,以氫原子和氦原子為主,引力勢能與動能平衡狀態下,雲既不逃逸也不塌縮。但統計上漲落必然存在,於是不論哪裡首先打破平衡,那裡的物質就會在引力作用下互相靠攏,密度進而增大,進而更多物質聚集(請自行腦補廟會上有人突然喊「地上有錢」)。這個不穩定的暫態平衡就叫做金斯(Jeans)不穩定性。初始的漲落與區域的溫度決定聚集過程有多少物質參與這個過程,參與物質的多寡進而決定演化後天體的核的壓強,進一步決定核(core)內核(nuclear)反應。物質很少,就只能形成類木行星,物質多一些,可以形成恆星;核燃燒釋放出來的光子的壓強正好平衡持續「吸」過來的物質的壓強,這時這顆天體的亮度(輻射光子的速率)與它本身的質量有關,我們稱這個亮度為愛丁頓極限,也就是說不能變的更亮了;如果物質更多,核燃燒的速率已經平衡不掉物質塌縮的速率了,那麼就可能要形成黑洞了。
另外,已經形成了的恆星,總要以核反應消耗附近的核燃料,因此這個過程也是有個盡頭的。質量大的恆星會塌縮成黑洞,質量小的只能變成矮星、中子星之類的緻密天體。
一顆經過了誕生、成長、巔峰、遲暮的恆星在塌縮時,也就是盞枯油盡前,光度會達到最大,所謂迴光返照是也。這個問題留給題主,我們把這個現象叫什麼?

上面的描述是定性的、不準確的,但我覺得可以回答題主的問題了:
並沒有「恰到好處」的力控制恆星形成,能否形成穩定燃燒的恆星其實是看造化的。


感覺沒問什麼啊,各種質量恆星的誕生毀滅不都是每時每刻都在發生嗎?是家常便飯吧。
是什麼控制的?非要解答的話,就是引力和時間。然而這兩者並不能被稱作什麼恰到好處的力量.....


引力


數學概率的力量
(少年、你渴望力量么,快來刷數學吧)


與其說恰到好處,還不如說,總有一種平衡的力量……


感覺題主是想聽聽暗物質、暗能量或者宇宙學常數,可惜我不懂。或者說題主的問題是宇宙為何是現在這種有星球的狀態


倖存者偏差能不能解釋?能坍塌的都坍塌了,不能坍塌的都飄著呢


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