俯瞰我們所生存的宇宙：什麼是恆星、黑洞與銀河系？

鳴人選書 25 Mar, 2023

恆星誕生：氣體與塵埃雲的集結

恆星是由稱為分子雲的巨大氣體和塵埃雲所形成，這些分子雲占據了一部分的星際空間。分子雲內的恆星形成過程可能需歷時數百萬年之久。

誕生恆星的分子雲範圍可能寬達數百光年，大多數恆星的形成位置都隱身在這些密集的塵埃雲中。然而，明亮的新生恆星產生的輻射會將部分地區的塵埃清除，並照亮周圍的氣體，我們就會認為這些恆星形成區域是亮星雲，如巨蛇座中的老鷹星雲（Eagle Nebula）、獵戶座星雲，還有許多其他星雲。有時候我們還會在分子雲中看到一些由塵埃和氣體聚集形成的暗雲，稱為包克雲球（Bok globule），此處經常會形成雙星或聚星系統。

恆星的形成

分子雲內要開始形成恆星，必須要有事件觸發引起——可能是附近的超新星爆發，或星雲通過太空中更為擁擠的區域，或是附近有恆星經過。在這些狀況下，雲氣會受到推擠，潮汐力和壓力波開始作用，壓縮部分雲氣，直到有些區域變得足夠緻密而能形成恆星。

接下來，重力會完成恆星形成的剩餘工作，將愈來愈多的物質聚集到發展中的結點上，並將其大部分都集中在中心。隨著物質愈來愈緻密，隨機運動會轉變成圍繞單軸的均勻旋轉，在星雲中粒子相互推擠碰撞導致溫度升高─特別是中心處，新生成的恆星開始發出紅外（熱）輻射。

在這個階段，原恆星（新形成的恆星）非常不穩定，會拋出氣體和塵埃，流向從兩極發出、方向相反的噴流，而損失質量。中心最終會變得非常炙熱，使核融合開始進行，隨著向內的重力及向外的壓力開始達到平衡，原恆星開始穩定下來，成為主序星。

天文學家已經計算出，銀河系平均每年會誕生約七顆新恆星，其中大部分都比太陽小一些。

老鷹星雲（M16）是我們銀河系中最壯觀的恆星形成星雲之一，它的整體形狀看起來隱約有點像隻老鷹的模樣。高大的柱狀和圓球形的塵埃和低溫氣體，是大量恆星形成的區域。已經有幾顆明亮可見的年輕恆星，發出光和風推動剩下細絲狀的氣體和塵埃。圖／大石國際文化提供

黑洞：最奇特的天體之一

黑洞是宇宙中最奇特的天體之一，在這個太空區域內的物質被擠壓成密度無限大的小點或環，我們稱之為「奇異點」（singularity）。

在奇異點周圍的球形區域內，往中心的重力非常強，因此沒有任何東西─包括光線─能夠逃脫。這個一切都無法逃脫的區域邊界稱為「事件視界」（event horizon），任何向內越過這個邊界的事物，都再也無法返回。黑洞有兩種主要的類型，恆星級黑洞是由超巨星在生命終點時發生超新星爆炸後核心塌縮所形成。超大質量黑洞則大得多，我們認為大多數星系的中心都有超大質量黑洞存在。

偵測黑洞的方法

黑洞不會發光，所以我們無法直接觀察或是拍攝黑洞。但是我們可以利用黑洞強大的重力會吸引其他物質的特性，來偵測部分的黑洞。這些黑洞的周圍可能有正在旋入黑洞的圓盤狀的氣體和塵埃，同時還會拋出大量的X射線或其他輻射。最容易偵測到的是從兩極產生高能粒子噴流的黑洞。

科研團隊於2019年促全球首張黑洞照片曝光，台灣科學家也參與其中。圖／中央研究院提供

銀河系：我們的家園

我們在天空中看到的所有恆星，都位在我們的家園星系——銀河系之中。這個巨大的恆星系統擁有數千億顆恆星，寬約十二萬光年，是結構複雜的棒旋星系。

銀河系中可見的恆星形成一個圓盤，中心有一個凸起的核球，雖然銀河系的直徑很寬，但銀盤的高度平均只有一千光年。從地球上沿著銀河系的盤面望過去，會比從盤面往上或往下望向星系之間的太空能看到更多的恆星，所以我們見到的銀河系才會是一條由無數黯淡遙遠恆星融合而成的乳白色寬廣光帶。

銀河系中央的核球以低質量的紅色和黃色恆星為主，含有較高的金屬豐度，但周圍的銀盤充滿了氣體、塵埃和較年輕的恆星。與所有的螺旋星系相同，銀河系的恆星分散在整個圓盤上，但最亮的恆星則集中在旋臂上。恆星因與中心的距離不同，而以不同的速率繞行，因此旋臂不可能是永久性的結構。相反地，旋臂之所以明顯可見，是因為此處是恆星形成的活躍區域。恆星在旋臂中誕生，其中最大最亮的恆星在軌道進入更寬的銀盤之前，就已經結束了短暫的生命週期。

何謂「旋臂」？

天文學家最近證實，銀河系是個棒旋星系，星系中央有恆星形成一個約兩萬七千光年的長方形棒狀結構。銀河系的旋臂是因為恆星、氣體和塵埃進出稱為密度波（density wave）的螺旋狀「塞車區域」所造成的。

最新的證據顯示銀河系有四條旋臂——兩條大旋臂和兩條小旋臂，這兩種旋臂的恆星有明顯的差異。

※ 本文摘自《圖解恆星系︰最權威的恆星、星系與星座導覽圖》，標題為鳴人堂編輯所加，大石國際文化授權刊登。