1992年4月6日，天文学领域发生了一场小小的革命。它并非发生在山顶天文台，而是在一个不太可能的地方——佐治亚州松山卡拉威花园酒店（海拔：820英尺）。天文学家聚集在那里参加一个关于通常节奏缓慢的双星研究课题的国际会议，这个领域中的发现往往需要数十年才能让这些系统完成它们的轨道运行。当杜鹃花在春雨中盛开时，室内天文学家展示的结果指向一个惊人的结论，即即使是最年轻的恒星也经常被恒星伴星所环绕。这一认识是许多不同的人使用多种巧妙的技术和新设备进行艰苦观测的成果。在佐治亚州的那个早晨，这些众多研究人员的独立工作似乎神奇地结合在一起。
年轻恒星的双星系统至少与年老恒星的双星系统一样普遍的发现似乎是合理的，但对于天文学家来说，这却是一个震惊。大多数关于双星形成的观点都预测，恒星伴星是在恒星形成很久之后才产生或捕获的；因此，最年轻的恒星应该以单星形式存在于太空中。这些理论不再具有说服力。然而，至少有一种关于双星形成的观点仍然符合最近的观测结果。这可能是唯一能解释宇宙中双星系统如此丰富的原因。
太阳，一颗成熟的恒星，没有已知的恒星伴星，尽管大多数与其年龄相仿的恒星都成群结队地存在，由两颗或更多颗恒星组成。1984年，劳伦斯伯克利实验室的理查德·A·穆勒和他的同事假设太阳并非真正意义上的单星，而是有一个遥远的伴星围绕它运行，周期约为3000万年。他推断，这个看不见的邻居的引力可能会扰乱太阳系最外层物质的环绕运动，每次该恒星靠近时，都会向内行星发送彗星雨。穆勒认为，这种效应可能解释了周期性的大灭绝：太阳的伴星产生的彗星大约每3000万年就会撞击地球一次，就像恐龙灭绝一样，会消灭地球上的大部分生命。由于它的到来会引发如此广泛的破坏，穆勒将这颗看不见的恒星称为“复仇女神”。
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大多数科学家没有接受穆勒的有趣想法。首先，已知最近的恒星（半人马座阿尔法三星系统，距离4.2光年）距离太远，无法通过引力与太阳束缚在一起。事实上，没有天文证据表明太阳不是一颗单星，其最大的伴星（木星）的质量也比太阳本身小1000倍。但是，生活在围绕孤立太阳运行的行星上会给我们带来对宇宙的扭曲看法；我们倾向于认为单星是常态，而双星一定是有些奇怪的。对于像太阳这样的恒星来说，这被证明远非事实。
双星，有人要吗？
1990年，日内瓦天文台已故的安托万·杜奎诺伊和米歇尔·梅耶完成了对附近双星的详尽的、为期十年的调查。他们考虑了太阳“G矮星”类中72光年范围内的每一颗恒星，这是一个包含164颗主星的样本，被认为是我们星系盘的代表。杜奎诺伊和梅耶发现，只有大约三分之一的这些系统可以被认为是真正的单星；三分之二的系统拥有质量超过太阳质量百分之一或约10个木星质量的伴星。
双星系统具有广泛的可变特征。一些双G矮星系统的恒星可能几乎相互接触；另一些系统则可能相距三分之一光年。接触的恒星可能在不到一天的时间内绕彼此运行，而最广泛分离的双星可能需要数千万年才能完成一次轨道运行。杜奎诺伊和梅耶表明，三合星和四合星G矮星比双星稀少得多。他们统计了62个不同的双星，7个三合星和2个四合星群。他们进一步确定，每个三合星和四合星组都具有分层结构，由一个相对较近的双星围绕着一个更远的单星（形成三合星系统）或另一个近双星（形成四合星系统）组成。远处星对之间的距离需要至少是近双星间隙的五倍，才能使该星群长期存在。间距较小的排列被称为梯形系统，以猎户座星云中的一个年轻的四合星系统命名。这些排列在轨道上是不稳定的——它们最终会飞散。例如，如果一个三合星系统的三颗恒星靠得足够近，它们往往会喷射出质量最小的恒星，留下一个稳定的星对。
因此，双星似乎是规则，而不是例外。然而，这个结论并不意味着行星必然稀有。行星可以在双星系统周围运行，只要它围绕其中一颗恒星附近或远离两者运行即可。想象一下生活在这样一个世界，它在一个紧密结合的双星的安全距离内运行，这两颗恒星每隔几天完成一次轨道运行。白天的天空将包含一对太阳，它们之间相隔很小的距离。日出和日落将非常迷人，因为先是一个发光的球体，然后是另一个发光的球体越过地平线。也可能发生其他奇怪的天体结构。例如，如果行星在与两颗质量相等的恒星相同的平面内运行，那么当两颗太阳相互遮蔽时，它们会周期性地显得合并在一起，短暂地将到达行星的合并阳光量减半。
恒星育婴室
太阳大约在46亿年前形成，其所谓的主序星寿命还剩下大约50亿年。当它到达主序星末期时，它将膨胀成为一颗红巨星，吞噬内行星。这种结构将有点类似于太阳历史早期发生的一种结构，当时它扩展到远远超出目前的半径。那时，在它收缩到目前的尺寸之前，太阳类似于金牛T型星，这种恒星可以在我们星系中恒星正在形成的区域看到。在它的金牛T型星阶段，太阳的半径大约是它目前测量值70万公里的四倍。更早的时候，原太阳一定已经延伸到大约15亿公里，或者是地球和太阳之间距离（1.5亿公里，称为天文单位，或AU）的10倍。
现在的金牛T型星为天文学家提供了一个了解太阳早期演化过程的机会。最近的金牛T型星位于两个位置，即金牛座分子云和蛇夫座ρ分子云，两者都距离地球约460光年。年轻恒星总是嵌入在如此尘埃弥漫的气体浓度中的事实有力地证明了它们的起源——恒星诞生于分子氢云致密核心的收缩和坍塌。
由于年轻恒星通常被尘埃笼罩，因此无论望远镜多么强大，天文学家通常都很难在可见光下观察到它们。但是，可以使用红外波长很容易检测到这些位置，红外波长是附近恒星周围受热尘埃颗粒发射的特征。因此，对恒星形成的理解进展在很大程度上取决于能够感知红外辐射的探测器的发展。在1992年佐治亚州举行的会议上，首次展示了专门为探测金牛座和蛇夫座金牛T型星伴星而设计的几项不同红外巡天的结果。
现在在加州大学洛杉矶分校的安德烈娅·M·盖兹和她的同事格里·F·诺伊格鲍尔和基思·马修斯（均在加州理工学院）使用新的锑化铟阵列相机在五米海尔望远镜上拍摄了已知金牛T型星周围区域的照片，波长接近红外波长2.2微米。（可见光的波长介于约0.4至0.7微米之间。）盖兹和她的同事使用所谓的散斑成像技术来最大限度地减少地球大气层上方望远镜的波动引入的噪声，发现他们样本中几乎一半的70颗金牛T型星显示出恒星伴星。对于有限的分离范围（约10至400 AU），这项研究表明，对于最年轻的系统，双星的普遍程度是主序星的两倍。海德堡马克斯·普朗克天文研究所的克里斯托夫·莱纳特也展示了一项近红外散斑成像巡天的结果。莱纳特和他的同事发现，他们检查的106颗金牛T型星中有43颗有附近的伴星，再次表明这些恒星中的双星比像我们太阳这样的G矮星中的双星更普遍。
德国维尔茨堡大学的汉斯·辛内克和沃尔夫冈·布兰德纳以及欧洲南方天文台的博·雷普特使用高分辨率数字相机与欧洲新技术望远镜相结合，以红外波长（1微米）对160颗金牛T型星进行了成像。他们发现了28颗伴星，它们位于距离金牛T型星100至1,500 AU的位置，比在那个距离范围内围绕年长的太阳型恒星运行的伴星多约三分之一。
纽约州立大学石溪分校的米歇尔·J·西蒙以及陈文平（现任台湾中央大学）和他们的同事报告了一种寻找年轻双星的新方法。当月球经过或掩星一个遥远的恒星系统时，仔细监测接收到的光线可以揭示两个或多个光源的存在，因为首先是一颗恒星，然后是另一颗恒星滑到月球面的锐利边缘后面。西蒙和陈的测量结果探测到的伴星比红外成像可能探测到的伴星更靠近金牛T型星。他们的工作再次表明，很大一部分是双星。威斯康星大学的罗伯特·D·马修采用了一种更传统的探测近双星的方法，与杜奎诺伊和梅耶使用的方法相同。马修使用光谱测量周期性多普勒频移来表明，一些金牛T型星在1 AU范围内有伴星。再一次，事实证明，在年轻的金牛T型星系统中，近距离双星比在太阳型恒星系统中更常见。
理论探索
所有这些恒星伴星是如何形成的？为什么它们如此丰富且如此早期地形成？在佐治亚州展示的大量关于年轻恒星的观测结果表明，双星必须在甚至在它们的主序前（金牛T型）阶段之前就已形成。此外，双星如此普遍的发现要求产生它们的机制——无论它是什么——都必须非常有效。
原则上，双星系统可能源于两颗恒星靠得足够近，以至于一颗恒星迫使另一颗恒星进入稳定的轨道。然而，这种事件的天体力学需要第三个天体的介入，以消除两颗恒星之间过剩的运动能量，并将它们困在一个引力束缚的系统中。但是，这种三体遭遇太罕见了，无法解释如此多的双星。剑桥大学的凯茜·J·克拉克和詹姆斯·E·普林格尔研究了一种更可能的方式，即伴星可能配对在一起。他们研究了仍然被扁平的尘埃和气体盘包围的两颗年轻恒星之间的引力耦合。这种几何结构将比三体遭遇更常见，并且理论上可以消除恒星运动的足够能量。但在他们的分析中，他们发现这种相互作用更有可能最终撕裂星周盘，而不是导致一颗恒星整齐地围绕另一颗恒星运行。因此，这种修饰似乎对解释双星系统的存在没有太大帮助。
捕获机制的失败迫使大多数天文学家思考可能更直接地形成双星的过程。事实上，对这个概念的思考可以追溯到一个多世纪以前。1883年，开尔文勋爵提出双星是由旋转裂变产生的。基于对快速旋转天体稳定性的研究，开尔文认为，当一颗恒星收缩时，它会越转越快，直到分裂成双星。天文学家现在知道，主序前恒星在接近氢燃烧主序星时会显著收缩，但金牛T型星的旋转速度不足以变得不稳定。此外，开尔文的裂变作用发生得太晚，无法解释年轻恒星中双星的频率。印第安纳大学的理查德·H·杜里森和他的同事表明，裂变在理论上也失败了——对这种不稳定性的合理计算表明，喷射出的物质最终会形成拖曳的螺旋形气体臂，而不是一颗单独的有凝聚力的恒星。
与一个世纪前的裂变理论相反，有一个只有十年历史的创造双星的想法，称为碎片化。这个概念假设双星诞生于致密分子云在自身引力作用下坍塌并变成原恒星的阶段。然后，遮蔽气体和尘埃消散，一颗新形成的双星（金牛T型星）出现。与较旧的双星诞生理论相比，碎片化完全符合年轻恒星的最新观测结果。
使碎片化成为可能原恒星坍塌在数十亿年恒星寿命的尺度上相对突然地发生；这个事件发生在几十万年内。这种将弥漫的云团暴力转变为致密恒星的转变，为单个天体分裂成几个不同的成员提供了特殊的机会。天体物理学家已经确定了两种可能起作用的机制。非常冷的云可以直接分裂成双星，而具有相当大旋转的较暖云可以首先沉淀成薄盘，然后随着它们获得更多质量或变得逐渐扁平而分裂。
多云的想法
对碎片化理论的一个主要反对意见涉及原恒星云中物质的分布。以前认为这种物质是根据所谓的幂律分布的。也就是说，云团中心附近的物质浓度会非常高，密度会随着距离的增加而迅速降低。然而，这个反对意见似乎最近已被使用亚毫米波长进行的高分辨率射电观测消除。去年，爱丁堡皇家天文台的德里克·沃德-汤普森和他的同事确定了几个预坍塌云内部物质的分布。他们发现密度遵循高斯（钟形）分布，而不是幂律。因此，当恒星系统开始形成时，物质不会那么紧密地集中在一个中心点。当时在加州大学洛杉矶分校的伊丽莎白·A·迈希尔和我分别表明，遵循幂律的云团中心的高密度使得第二颗或第三颗恒星几乎不可能合并。事实证明，使用初始高斯分布更容易发生碎片化。
天体物理学家可以通过求解控制原恒星云中气体、尘埃和辐射流动的方程组来预测最终是否会形成多个碎片。计算非常复杂，需要精确的软件和强大的计算机才能求解。我从1986年开始模拟具有高斯密度分布的致密云的坍塌，发现只要满足某些条件，碎片化就很容易发生。只要高斯云具有足够的旋转以赋予双星系统所需的角动量，并且预坍塌物质足够冷（低于10开尔文）以使其热能小于其引力能的一半左右，云团就会在其引力收缩期间发生碎片化。对于在恒星育婴室中发现的云团来说，这些条件似乎没有什么特别之处。
最终形成双星、三合星还是四合星系统取决于许多细节，包括原始云团的三维形状、它的块状程度以及可用的精确热能和旋转能量。一般来说，长球形或足球形的云团倾向于形成分裂成双星系统的棒状结构，而更扁球形或煎饼形的云团会扁平化成圆盘，然后分裂成多个成员。
人们认为坍塌分两个独立的步骤发生。第一阶段产生半径约为10 AU的原恒星。因此，第一阶段的碎片化只能产生分离距离约为10 AU或更大的双星系统。然后，这些天体经历第二次坍塌，形成恒星尺寸的最终原恒星。剑桥大学的伊恩·A·邦内尔和马修·R·贝特已经表明，碎片化也可能发生在第二次坍塌阶段，这个过程可能导致形成分离距离与最接近的主序星相当的原恒星核。碎片化似乎能够产生在年轻双星中观察到的整个分离范围，从最接近的系统到最宽的系统。
棕矮星和巨行星
那么，寻找质量更小的伴星呢？杜奎诺伊和梅耶提供的证据表明，多达10%的太阳型恒星与棕矮星束缚在一起，也就是说，它们拥有质量为太阳质量0.01至0.08倍的恒星伴星。棕矮星太小，无法像太阳那样点燃氢，但质量可能足够大，可以在形成后不久燃烧氘。在那之后，它们的辐射就会停止，它们会变得寒冷且极难探测。尽管杜奎诺伊和梅耶提供的证据很有趣，但尽管人们付出了许多努力来探测棕矮星，但迄今为止还没有棕矮星的证实案例。行星伴星的搜索也在进行中，尽管天文学家尚未发现令人信服的候选者。但是在未来十年，实验技术应该会改进到可以探测到木星大小的行星（或者证明它们不存在）围绕许多附近恒星运行的程度。检查双星还是将搜索范围限制在像太阳这样的单星是一个悬而未决的问题；天文学家可能会将两者都作为目标，以持续努力发现一个与我们自己的行星系统舒适地相似的行星系统。