如果你认为天文学家至今应该已经弄清楚了什么，那就是恒星是如何形成的。关于恒星如何形成的基本想法可以追溯到18世纪的伊曼努尔·康德和皮埃尔-西蒙·拉普拉斯，而关于恒星如何发光和演化的细节则由20世纪上半叶的物理学家们研究出来。今天，支配恒星的原理在中学会教授，而暗物质等奇异物质则占据了新闻头条。恒星形成似乎是一个已经解决的问题。但事实远非如此。恒星的诞生仍然是当今天体物理学中最活跃的课题之一。
最简单地说，这个过程代表了引力战胜压力的胜利。它始于漂浮在星际空间中的巨大气体和尘埃云。如果云层——或者更常见的是，这种云层的密集部分，称为星核——足够冷和密集，其引力的向内拉力就会压倒气体压力的向外推力，云层就开始在自身重量的作用下坍缩。云层或星核变得越来越密集和炽热，最终引发核聚变。聚变产生的热量增加了内部压力，阻止了坍缩。新生的恒星稳定在一个动态平衡中，这种平衡可以持续数百万到数万亿年。
该理论是自洽的，并且与越来越多的观测结果相符。然而，它远非完整。以上段落的每一句话都迫切需要解释。特别是四个问题困扰着天文学家。首先，如果致密星核是恒星的卵，那么宇宙的“母鸡”在哪里？云层本身必然来自某处，而它们的形成机制尚不清楚。其次，是什么导致星核开始坍缩？无论引发机制是什么，它都决定了恒星形成的速率和恒星的最终质量。
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第三，胚胎恒星之间是如何相互影响的？标准理论描述的是孤立的单个恒星；它没有说明当恒星彼此靠近形成时会发生什么，而大多数恒星都是这样形成的。最近的发现表明，我们自己的太阳诞生于一个星团中，该星团后来已解散[参见西蒙·F·波特吉斯·兹瓦特的文章《“太阳失散多年的兄弟姐妹”》；《大众科学》，2009年11月]。在拥挤的“托儿所”中长大与成为独生子女有何不同？
第四，质量非常大的恒星是如何形成的？标准理论在构建质量高达太阳20倍的恒星方面效果良好，但对于更大的恒星则失效，因为它们巨大的光度应该在新生恒星积累到所需质量之前就将云层吹散。更重要的是，大质量恒星用紫外线辐射、高速外流和超音速冲击波轰击周围环境。这种能量反馈扰乱了云层，但标准理论并未将其考虑在内。
解决这些缺陷的需求变得越来越迫切。恒星形成是天文学中几乎所有其他事物的基础，从星系的兴起到行星的起源。如果不了解恒星形成，天文学家就无法指望剖析遥远的星系，也无法理解在我们太阳系之外发现的行星。虽然最终答案仍然难以捉摸，但一个共同的主题正在浮现：一个更完善的恒星形成理论必须考虑新生恒星的环境。新恒星的最终状态不仅取决于星核的初始条件，还取决于其周围环境及其恒星邻居的后续影响。这是宇宙尺度上的先天与后天之争。
包裹在尘埃中
如果您在远离城市灯光的黑暗地点仰望天空，您可以看到银河系横跨您的头顶，其弥漫的光流被黑暗的斑块打断。这些是星际云。其中的尘埃粒子阻挡了星光，使其对可见光不透明。
因此，我们这些试图观测恒星形成的人面临着一个根本问题：恒星掩盖了自己的诞生。构成恒星的物质又厚又暗；它需要变得足够致密才能引发核聚变，但尚未做到这一点。天文学家可以看到这个过程是如何开始的，以及它是如何结束的，但是中间发生的事情本质上很难观测，因为大部分辐射是在远红外和亚毫米波波长发出的，在这些波长上，天文学家的工具箱与其他光谱部分相比相对原始。
天文学家认为，恒星的诞生云是星际介质大循环的一部分，在这个循环中，气体和尘埃从云层循环到恒星，然后再返回。介质主要由氢组成；氦约占质量的四分之一，所有其他元素加起来占几个百分比。其中一些物质是自宇宙大爆炸最初三分钟以来几乎没有受到扰动的原始物质；有些是恒星在其生命周期中抛出的物质；有些是爆炸恒星的碎片。恒星辐射将氢分子分解成其组成原子[参见罗纳德·J·雷诺兹的文章《“恒星之间的气体”》；《大众科学》，2002年1月]。
最初，气体是弥散的，大约每立方厘米有一个氢原子，但随着气体冷却，它会凝结成离散的云团，就像地球大气中的水蒸气凝结成云一样。气体通过辐射热量来冷却，但这个过程并非易事，因为热量逸出的途径有限。最有效的方式是某些化学元素的远红外辐射，例如电离碳在158微米波长处发出的辐射。地球的低层大气在这些波长下是不透明的，因此必须使用空间天文台（如欧洲航天局去年发射的赫歇尔空间天文台）或安装在飞机上的望远镜（如平流层红外天文台（SOFIA））进行观测。
随着云层冷却，它们变得更加密集。当它们达到每立方厘米约1000个原子时，它们就足够厚，可以阻挡来自周围星系的紫外线辐射。然后，氢原子可以通过涉及尘埃粒子的复杂过程结合成分子。射电观测表明，分子云包含从氢（H2）到复杂有机物的化合物，这些化合物可能为地球上的生命提供了物质[参见马克斯·P·伯恩斯坦、斯科特·A·桑福德和路易斯·J·阿拉曼多拉的文章《“生命遥远的原材料”》；《大众科学》，1999年7月]。然而，在此阶段之后，线索就中断了。红外观测揭示了深深嵌入尘埃中的新生恒星，但在观察从分子云到这些原恒星的最早步骤时遇到了困难。
20世纪90年代中期，当中程空间实验和红外空间天文台发现密度如此之高（每立方厘米超过10,000个原子）的云层，以至于它们甚至对通常可以穿透尘埃区域的热红外波长也不透明时，恒星形成的最早阶段的情况开始发生变化。这些所谓的红外暗云比之前在光学波长下发现的云层质量更大（是太阳质量的100到100,000倍）。在过去的几年里，两个团队使用斯皮策空间望远镜对它们进行了全面的调查：由威斯康星大学麦迪逊分校的爱德华·B·丘奇韦尔领导的银河系遗产红外中平面巡天（GLIMPSE）和由斯皮策科学中心的肖恩·凯里领导的MIPSGAL巡天。这些云层似乎是分子云和原恒星之间缺失的环节。
事实上，暗云和致密星核可能代表了恒星质量确定的关键形成阶段。云层有各种各样的质量；小的云层比大的云层更常见。这种质量分布与恒星的质量分布非常相似——只是云层的质量系统地比恒星大三倍，这表明只有三分之一的云层质量最终进入新生恒星。其余的则以某种方式流失到太空。
这种分布的相似性是因果关系还是仅仅是巧合仍有待证明。无论是什么决定了恒星的质量，它都决定了恒星的整个生命历程：是成为一颗早逝并灾难性爆炸的大质量恒星，还是成为一颗寿命更长，更温和地走向长夜的普通恒星。
是什么扣动了扳机？
天文学家在第二个尚未解决的主要问题上也取得了一些进展，即是什么导致云层或星核坍缩。在恒星形成的標準模型中，星核最初处于美丽的平衡状态，引力和外部压力与内部热压力、磁压力或湍流压力相平衡。当这种平衡被打破，有利于引力时，坍缩就开始了。但是，是什么触发了这种失衡？天文学家提出了许多不同的方法。超新星爆发等外部力量可能会压缩云层，或者随着热量或磁场的消散，内部压力可能会减弱。
哈佛-史密森天体物理中心（CfA）的查尔斯·拉达、欧洲南方天文台（ESO）的若昂·阿尔维斯及其同事认为，热支撑的缓慢消散是原因。通过在毫米波和亚毫米波波长（跨越无线电波段和红外波段）对分子云进行测绘，他们已经能够在附近的云层中识别出大量相对静止、孤立的星核。一些星核显示出缓慢的向内运动的迹象，可能正在形成恒星的路上。一个极好的例子是位于天鹰座的巴纳德335。它的密度结构正如人们所预期的那样，如果云层的热压力几乎与外部压力处于平衡状态。中心的一个红外源可能是一个早期阶段的原恒星，这表明平衡最近向有利于坍缩的方向倾斜。
其他研究发现了外部触发的证据。波恩马克斯·普朗克射电天文学研究所的托马斯·普雷比施及其合作者表明，天蝎座上部的广泛分布的恒星几乎同时形成。不同的星核的内部压力在同一时间消散将是一个相当大的巧合。一个更可能的解释是，超新星引发的冲击波席卷了该区域，并诱导星核坍缩。然而，证据是模棱两可的，因为大质量恒星扰乱了它们的诞生地，使得重建它们形成的条件变得困难。另一个限制是难以看到质量较小的恒星（亮度较暗）以证实它们也是同步形成的。
斯皮策空间望远镜在这些问题上取得了进展。国家光学天文台的洛里·艾伦、CfA的泽维尔·P·柯尼格及其合作者在银河系中被称为W5的区域发现了一个引人注目的外部触发例子。他们的图像显示，年轻的原恒星嵌入在早期恒星辐射压缩的致密气体袋中。由于压缩是一个快速过程，这些广泛分散的天体必定几乎同时形成。简而言之，恒星形成的触发并非曾经认为的非此即彼的情况。这是一个“以上所有”的情况。
恒星育婴室中的生活
撇开上述缺陷不谈，标准模型相当好地解释了孤立的恒星形成星核的观测结果。但是，许多（也许是大多数）恒星是在星团中形成的，而该模型没有考虑到这种拥挤的环境如何影响它们的诞生。近年来，研究人员开发了两种相互竞争的理论来填补这一空白。用于模拟的计算能力的巨大进步对于完善这些理论至关重要。特别是斯皮策空间望远镜的观测结果正在帮助天文学家在两者之间做出选择。
其中一种理论认为，相邻星核之间的相互作用变得重要。在极端版本中，许多非常小的原恒星形成，快速穿过云层，并竞争吸积剩余的气体。一些恒星比其他恒星长得大得多，而失败者可能会被完全 ejected 出星团，从而产生一类在银河系中漫游的“恒星侏儒”。这种被称为竞争吸积的图景得到了圣安德鲁斯大学的伊恩·邦内尔、埃克塞特大学的马修·贝特等人的支持。
在另一种模型中，主要的外部影响不是星核之间的相互作用，而是气体内的湍流。湍流有助于触发坍缩，恒星的尺寸分布反映了湍流运动的频谱，而不是后来的物质竞争。这种湍流星核模型是由加州大学伯克利分校的克里斯托弗·麦基、加州大学圣克鲁兹分校的马克·克鲁姆霍尔茨等人开发的。
观测结果似乎支持湍流星核模型[参见苏班乔伊·莫汉蒂和雷·贾亚瓦德哈纳的文章《“棕矮星起源之谜”》；《大众科学》，2006年1月]，但竞争吸积模型在恒星密度特别高的区域可能很重要。一个非常有趣的案例是著名的麒麟座圣诞树星团（NGC 2264）。在可见光下，该区域显示出许多明亮的恒星以及丰富的尘埃和气体——恒星形成的标志。斯皮策空间望远镜的观测结果揭示了一个致密的嵌入式星团，其中恒星处于不同的发育阶段。这个星团提供了 turbulence 或竞争吸积留下痕迹的精确阶段的快照。
最年轻的恒星，被确定为在长波长处发射比例最大的恒星，聚集在一个紧密的群体中。现在在ESO的保拉·S·特谢拉及其合作者已经表明，它们的间距大约为每0.3光年。这种规则的模式正是人们所预期的那样，如果致密星核是从一般的分子云中引力坍缩出来的，这表明云层中的初始条件决定了坍缩的道路。然而，即使观测结果支持湍流模型，图像也具有足够好的分辨率来分辨出一些所谓的原恒星不是单个天体，而是紧凑的天体群。其中一个由0.1光年半径内的10个源组成。这些天体的密度如此之高，以至于竞争吸积必然正在发生，至少在小尺度上是这样。
因此，与触发机制一样，恒星环境的影响并非非此即彼的选择。湍流和竞争吸积都可以发挥作用，具体取决于情况。大自然似乎利用一切可能的方式来制造恒星。
超大尺寸恒星
大质量恒星是罕见且短命的，但它们在星系的演化中起着非常重要的作用。它们通过辐射和质量外流将能量注入星际介质，并在其生命末期，可以作为超新星爆炸，返回富含重元素的物质。银河系中布满了此类恒星产生的气泡和超新星遗迹。然而，标准理论很难解释它们的形成。一旦原恒星达到大约20个太阳质量的阈值，其辐射产生的压力应该压倒引力，阻止其继续增长。除了辐射压力外，如此大质量的恒星产生的星风会驱散其诞生云，进一步限制其生长，并干扰附近恒星的形成。
克鲁姆霍尔茨及其合作者最近的理论工作为解决这个问题提供了一种方法。他们的三维模拟显示了恒星在所有意想不到的复杂性中的生长。物质的流入可能变得非常不均匀；致密区域与星光流出的气泡交替出现。因此，辐射压力可能毕竟不会对持续增长构成障碍。致密的下落物质也很容易形成伴星，这解释了为什么大质量恒星很少是孤立的。观测者现在正在使用斯皮策空间望远镜对大质量恒星形成区域进行巡天，以寻找证实。但是验证该模型将是棘手的。这些恒星的稀有性和短暂寿命使它们很难在形成过程中被捕捉到。
幸运的是，新的设施将很快帮助解决这个问题以及恒星形成提出的其他问题。赫歇尔空间天文台和SOFIA（一架波音747飞机，可在地球大气层中99%的遮蔽水蒸气之上飞行）将观测远红外和亚毫米波波长，在这些波长上，恒星形成最容易被看到。它们具有绘制星际云中速度模式所需的空间分辨率和光谱分辨率。在更长的波长上，目前正在智利安第斯山脉建造的阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）将能够以精细的细节绘制单个原恒星的地图。
通过新的观测，天文学家希望追踪星际介质的完整生命周期，从原子云到分子云，再到前恒星核，再到恒星，最终回到弥散气体中。他们还希望观测具有足够角分辨率的恒星形成盘，以便能够追踪物质从云层中的下落，以及比较不同环境对恒星诞生的影响。
答案将波及到天体物理学的其他领域。我们看到的一切——星系、星际云、恒星、行星、人类——都是由恒星形成成为可能的。我们当前的恒星形成理论还不错，但它的缺陷使我们无法解释当今宇宙的许多最重要方面。而在这些缺陷中，我们看到恒星形成是一个比任何人预测的都更丰富的过程。
注：本文最初以“多云，有星”为标题印刷。