最后更新：2025年7月8日

引力坍缩：恒星的形成与诞生

仙王座B云中的恒星形成。这张合成图像利用钱德拉X射线天文台和斯皮策太空望远镜的数据制作而成，展示了位于我们银河系中、距离太阳系约2400光年的分子云——仙王座B。图像来源：X射线：NASA/CXC/PSU/K. Getman等人；红外：NASA/JPL-Caltech/CfA/J. Wang等人。

恒星育婴室：巨型分子云

恒星诞生于星际介质中寒冷而致密的区域，这些区域被称为巨分子云（GMCs）。这些结构的直径可达数百光年，包含多达\(10^6\)个太阳质量的气体，主要成分为分子氢（\(\text{H}_2\)）、一氧化碳（\(\text{CO}\)）和星际尘埃。

引力扰动，例如超新星产生的冲击波或云团碰撞，会触发这些区域的碎裂，促使物质局部收缩。每个坍缩的碎片都是一颗未来恒星的核心。

引力收缩与原始恒星形成

在引力作用下，致密核心向内坍缩，导致其中心温度升高。根据开尔文-亥姆霍兹机制，这一过程涉及引力能向热能的转化。当中心温度达到数千开尔文时，核心对红外辐射变得不透明，从而形成原恒星。

在此阶段，恒星被原行星盘和气体茧包裹。垂直于盘面可喷射出双极喷流，带走多余角动量，使物质更高效地吸积。

热核反应的点燃

当中心温度达到约 \(10^6\ \text{K}\) 时，氢聚变反应通过质子-质子链或CNO循环在核心开始，具体取决于原恒星的质量。此时辐射压力与引力坍缩相抗衡：该天体达到流体静力学平衡。

随后，该恒星进入赫罗图的主序星阶段。其寿命强烈取决于初始质量：一颗质量为 \(20\ M_\odot\) 的大质量恒星仅能闪耀数百万年，而太阳型恒星（\(1\ M_\odot\)）的寿命约为100亿年。

链状结构：疏散星团与多重星

恒星并非孤立诞生。单个坍缩区域可孕育数百颗恒星，从而形成疏散星团。这些星团中的原恒星之间通过引力相互作用，可能形成双星或多星系统。经过数亿年后，这些星团便会逐渐消散。

特征时间与临界质量

自由落体引力坍缩时间，即金斯时间，可表示为： \( t_J = \sqrt{\frac{3\pi}{32G\rho}} \) 其中 \(G\) 为引力常数，\(\rho\) 为核的平均密度。当密度为 \(10^{-19}\ \text{kg/m}^3\) 时，所得时间量级约为数十万年。

金斯质量定义了云团在自身引力作用下坍缩的质量阈值： \( M_J \approx \left( \frac{5kT}{G\mu m_H} \right)^{3/2} \left( \frac{3}{4\pi \rho} \right)^{1/2} \) 其中 \(T\) 是温度，\(\mu\) 是平均分子质量，\(m_H\) 是氢原子的质量。

示例：形成太阳的星云

据估计，太阳形成于46亿年前，其核心的典型密度为 \( \rho \approx 10^{-18}\ \text{kg/m}^3 \)，温度 \( T \approx 10\ \text{K} \)，主要成分为 \( \text{H}_2 \)，平均分子质量 \( \mu \approx 2.3 \)。

➤牛仔裤时间：\[ t_J \approx \sqrt{\frac{3\pi}{32 \times 6.674 \times 10^{-11} \times 10^{-18}}} \approx 1.9 \times 10^{13}\ \text{s} \approx 600,000\ \text{年} \]

➤金斯质量：\[ M_J \approx \left( \frac{5kT}{G\mu m_H} \right)^{3/2} \left( \frac{3}{4\pi\rho} \right)^{1/2} \]

使用 \( k = 1.38 \times 10^{-23}\ \text{J/K} \), \( T = 10\ \text{K} \), \( \mu = 2.3 \), \( m_H = 1.67 \times 10^{-27}\ \text{kg} \)，我们得到：

\[ M_J \approx \left( \frac{5 \cdot 1.38 \times 10^{-23} \cdot 10}{6.674 \times 10^{-11} \cdot 2.3 \cdot 1.67 \times 10^{-27}} \right)^{3/2} \cdot \left( \frac{3}{4\pi \cdot 10^{-18}} \right)^{1/2} \approx 1.3\ M_\odot \]

这意味着太阳星云核心的最小质量必须超过 \( 1.3\ M_\odot \)，引力坍缩才能导致太阳的形成。这一阈值很可能在邻近超新星激波压缩的区域中被超越。

因此，太阳由一团质量超过金斯判据临界值的冷气不稳定核心，在大约60万年内形成。