美国天体物理杂志发表论文

恒星形成是宇宙物质由暗（光学意义）到明（恒星及星系）的关键步骤。从1796年拉普拉斯的星云假说开始，过去了两个多世纪后，恒星形成领域终于在20世纪的第一个十年通过E.E.Barnard开创的宽视场成像（Barnard,1907,1919,ApJ）进入实测（靠谱+有钱）学科。

Barnard认证的“暗云”，至今都是本领域研究的重要对象，例如著名的B68 （Alves et al., 2001,Nature）被揭示具有经典的流体力学压力平衡密度结构Bonnor-Ebert轮廓。又例如基于我们首次捕获到的正在诞生的暗云B227（Zuo et al., 2018 ,ApJ “Catching the Birth of a Dark Molecular Cloud for the First Time”）。这两个工作分别研究了Barnard认证的第68个和第227个暗云。

拉普拉斯及其太阳系星云起源假说示意图

暗云之为暗，是由于尘埃消光，但其主要成分是气体。1951年星际中性原子氢气（HI）的发现，确立了其为星际介质的主要成分之一。20世纪60年代，Hollenbach和Salpeter的研究明确了氢原子在星际尘埃表面‘复合’成为分子氢。60年代四大天文发现之一的星际一氧化碳（CO）分子，使得难以探测的分子氢气得以现形，揭示暗云都是分子云。七八十年代，空间天文兴起，红外巡天确定了年轻恒星诞生于分子云。至此一个恒星诞生的完整图景基本完成。

恒星诞生过程

分子的辐射集中在毫米射电波段。恒星形成领域的天文学家从80年代初就开始推动大型毫米波阵列（MMA），经过几次10年规划、多边国际谈判、无数次高原反应，MMA演化、成长为当今地面天文设备的巨无霸——ALMA。到目前为止，ALMA观测用时最多的领域是恒星形成及星际介质，由最初的新兴成为主流显学。

90年代末，我在纽约上州的农村苦读学位，一把剪刀对付一月头发。现在回想起来，那时的手艺为今年的COVID-19疫情宅做了准备。村里有让胡适挂科的农场，自产牛奶和冰激凌。村边有“手指湖”（Finger Lakes），古冰川凿穿岩石深达数百米，与秋光一起烂漫至天际，非常适合思考恒星形成之三大经典问题：磁场问题、湍流问题、角动量问题。

至今，三大问题无一解决！

三大问题的本质是多数量级尺度跨越中的能量转移机制。从几千光年的弥散星际介质到百万公里腰围的太阳，缩水了几百亿倍。如果星际介质中的磁场在具有一定电离度的气体中冻结，其能量密度将远高于分子云所拥有的重力势能。磁场将阻止恒星形成。星际介质中遍布超音速的湍流。湍动对抗质量相吸的重力，直到在数万天文单位或更小的尺度，热运动才达到或超过湍动，使所谓的致密云核可能整体塌缩，开启新一代太阳的星途。

星际介质包裹中的太阳系

磁场、湍流如何耗散缺乏实证，数值模拟里面普遍直接忽略或者做生硬的量纲假设。人类距离物理解释恒星形成尚远。角动量问题是三大问题中相对简单的一个。大尺度的星际介质包含或者演化成为许多子结构。宏观的角动量不必等于局域角动量之和。

90年代以来，特别是哈佛大学天体物理中心Myers和Goodman关于暗分子云核的系列工作，确立了从分子云核中心向外延展5万亿公里左右（这个尺度范围被称为亚光年尺度），在这个范围内角动量已经远远小于重力势能或磁场能或湍动能，而后三者处于能量均分状态。

能量均分也可能是暗云磁流体的一个基本性质。我们刚刚发表了对北天6个分子暗云中云核角动量的研究（Xu et al., 2020,ApJ）。在计算过程中，考虑了此前同类工作忽视的云核密度分布，因而导出了更为真实、数值更小的角动量，进一步验证了在亚光年尺度角动量已经不再影响云核整体塌缩的动力学。从亚光年尺度到恒星尺度（百万公里），角动量虽然不再影响整体塌缩的动力学，但是依然需要被大量耗散，才能加速物质吸积。一般认为外向流是角动量耗散的重要途径。

星际介质，特别是分子暗云中，各个层级的结构逐步紧实，最终小宇宙爆发点燃核聚变成为恒星。这一句话的星途，包含了多种基本物理、化学过程和环境变化：磁场、湍流、重力、热运动、等离子体、辐射转移、宇宙线、尘埃演化、无机-有机化学等等相互耦合，纠缠不休。

经过了一个世纪和多次新设备之重大突破，恒星形成的科学描述还主要是唯像的：巨分子云集群（Giant molecular cloud complex）到分子云（cloud）到云块（clump）到云核（core）到年轻星周盘（protostellar disk）加外向流(outflow)，最终由于某种神秘力量阻止吸积确定原恒星质量，并且整体达成那个统一的更为神秘的初始质量函数（IMF）。

恒星形成的唯像描述

星际云的形状柔弱多变，但是到了即将塌缩踏上星途的云核，就圆润起来，在物理学家眼里都是球，亦如物理学家眼里的牛。这个叙事过程朴素可爱：“现在的日子是鸡，长大了就变成了鹅；鹅长大了, 就变成了羊；羊长大了, 就变成了牛；等牛长大了, 就是共产主义了......”

物理牛

如何实现太阳诞生这样“共产主义”的理想？2009年，人类 历史 上最大的单体空间望远镜（大过但是轻于哈勃）赫歇尔天文台的发射升空，带来了革命性的进步。

作者近期相关论文发表于：

美国《天体物理杂志快报》Xu et al. 2020, ApJL，DOI:10.3847/2041-8213/ab8ad7，作者：徐雪芳，李菂, 戴昱等

美国《天体物理杂志》Xu et al. 2020, ApJ，arXiv:2006.04309，作者：徐雪芳，李菂, 戴昱等

中国《天文与天体物理研究》 Yue et al. 2020, RAA，arXiv:2006.04168，作者：岳楠楠，李菂, 张其洲等

英国《皇家天文学会月报》 Zhang et al. 2020, MNRAS accepted, arXiv:2006.13410, 作者：张超，任志远, 吴京文等

参考文献：

Alves, J.F., Lada, C.J., & Lada, E.A. Internal structure of a cold dark molecular cloud inferred from the extinction of background starlight. 2001, nature, 409, 159

Barnard E.E. On a nebulous groundwork in the constellation Taurus. ApJ, 1907, 25:218-225.

Barnard E.E. On the dark markings of the sky, with a catalogue of 182 such objects. ApJ, 1919, 49:1-24.

Hacar, A., Tafalla, M., Forbrich, J., et al. An ALMA study of the Orion Integral Filament. I. Evidence for narrow fibers in a massive cloud. 2018, ApJ, 610, A77

Hollenbach, D., Salpeter, E.E. Molecular Hydrogen Formation on Grains in H I Regions. 1969, BAAS, 1, 244

Li, H.-X., Li, D., Qian L. et al. 2015, Outflows and Bubbles in Taurus: Star-formation Feedback Sufficient to Maintain Turbulence, ApJS, 219, 20

Tan, J. C., & McKee, C. F. 2004, The Formation of the First Stars. I. Mass Infall Rates, Accretion Disk Structure, and Protostellar Evolution, ApJ, 603, 383

Xu, X., Li, D., Dai, Y.S., et al. Independent Core Rotation in Massive Filaments in Orion. 2020, ApJL, 894, L20

Xu, X., Li, D., Dai, Y.S., et al. Rotation of Two Micron All Sky Survey Clumps in Molecular Clouds. 2020, ApJ, arXiv:2006.04309

Yue, N., Li, D., Zhang, Q., et al. Resolution-dependent Subsonic Non-thermal Line Dispersion Revealed by ALMA, 2020, accepted by RAA, arXiv:2006.04168

Zuo P., Li D., Peek J.E. G., et al. Catching the Birth of a Dark Molecular Cloud for the First Time. ApJ, 2018, 867:13.

作者简介：李菂，国家天文台研究员，从事天体物理和天文技术研究，撰写关于猎户座大质量“宁静”云核的系列论文，在美国天体物理杂志（ApJ）发表。

[ 责编：赵宇豪 ]

在我们得印象中，宇宙中所有的元素，从最轻到最重，它们的来源问题貌似都已经解决了。

我们现在知道宇宙的基本元素（氢和氦）来自于大爆炸阶段的核合成，然后这些元素在恒星中被聚变为重元素，大质量恒星死亡时所经历的Ⅱ型超新星爆发会将这些重元素返回到宇宙空间中；

并且在这个过程中还会通过中子捕获过程大量产生核聚变中无法生成的重元素。可以这么说，Ⅱ型超新星的爆发基本上已经把元素周期表中的重元素包圆了。

剩下的一些缺失的部分或者缺失的比例，我们还可以从中子星的碰撞中找到。

重元素的问题是解决了，但是我们常常却忽略了一些较轻元素的产生，如锂、铍、硼。相信你没有听说过，至少很少会看到有文章介绍这三种元素在恒星聚变中是怎样形成的？

其实恒星在将氢元素聚变为氦以后，如果它的质量足够大的话，直接会进入碳、氮、氧的聚变，然后是硫、硅，直到铁、钴、镍这些元素。

恒星聚变的中间过程很少会经历锂、铍、硼这三种元素，就算是它们被有幸生成，也会因为高温立刻被电离成为氢、氦和中子，也很难保存在恒星中。

简单点说，恒星聚变不能产生这三种元素。那么问题就来了，这三种元素不能在恒星中产生，但在宇宙中确实存在，那它们是怎么来的呢？

尤其是我们对锂元素在大自然、太阳系、甚至是在银河系中相对比较高的含量更是无法解释。这个问题困扰了天体物理学将近60年的时间。

不过在最近，由天体物理学家萨姆纳·斯塔尔菲尔德领导的新研究解决了锂元素来源这个难题。找到了缺失的那一部分，这篇论文发表在《美国天文学会天体物理杂志》上。

今天我们就着重说下锂元素是怎么来的？

上文说了锂元素很难保存在高温的恒星中，但可以存在与行星、小行星或者陨石中，通过测量太阳系陨石中锂元素的含量，我们就能知道在太阳系形成的时候星云中锂元素的含量。

然后通过对银河系大量的恒星进行观测，测量它们的质量、大小、颜色、重元素丰度，然后跟我们的太阳进行比较，并且太阳系测量出来的锂元素丰度，推广至整个银河系。

最后的出来的结果是，在银河系中锂元素的量相当于1000个太阳质量。

以前我们认为锂元素的来源有三种：

138亿年前的大爆炸核合成。 早期大爆炸的过程中，宇宙空间虽然在膨胀，但是在很短的时间内温度和密度非常高，足以引起类似于恒星中发生的核聚变。

这个发生在整个宇宙中氢元素到重元素的过程就是我们所说的大爆炸核合成，其在很短的时间内将宇宙中所有的质子和中子转化为了大约75%的氢，也就是单个质子；25%的氦；0.00000007%的铍-7。

由于铍-7非常不稳定会在很短的时间内通过捕获一个电子会将质子转化为中子，变为稳定的锂-7。大爆炸合成的锂-7，按比例来说在银河系中只相当于80个太阳质量。

宇宙射线（高能粒子）撞击重元素使其重核分裂为轻核。 宇宙射线大家非常熟悉，它常常来自于大质量恒星、中子星、黑洞这类高能量天体。

它撞击重元素以后会产生锂、铍、硼这三种元素，这个过程其实就是地球上这三种元素的主要来源。但它所生成的绝大部分是锂-6，只能产生微不足道的锂-7。

以及非常特殊的恒星聚变过程。 在一些质量较小的恒星中，类似于太阳，或者比太阳质量更小，它们在末期会经历红巨星阶段，恒星外层温度会大幅降低。

但是这样的温度依然是无法直接制造锂-7，因为它十分脆弱，但可以像大爆炸的时候制造出铍-7，然后将这些元素对流到外层温度更低的地方，直到它衰变为锂-7。

所以说在低温、低质量恒星的末期中我们会发现锂-7的含量会大幅增加，并在死亡以后将这些锂-7返回到宇宙中。

但是通过将以上三种来源所产生的锂元素加起来，却低于我们星系锂元素总量的20%。也就是说有大约800个太阳质量的锂-7无法解释。所以说一定有锂元素其他未知的来源。

这次的研究结果发现了以前被我们忽视的新星，这里需要注意的是，它不是Ⅱ型超新星、也不是1a型超新星。

它爆发的过程就产生了我们苦苦寻找的锂-7。那么这种新星是什么？

新星的爆发需要一颗白矮星和恒星组成的双星系统，白矮星来自于类似太阳恒星死亡以后的残骸，一般它的质量和太阳差不多，但体积只有地球的大小，所以说这种天体的引力非常强，且温度还很高。

当它周围有一颗处于主序星阶段的恒星时，这颗白矮星就会缓慢的吸积这颗伴星未燃烧的氢气。当质量达到一定程度，不过整体质量肯定会低于1.4倍的太阳质量，不然这颗白矮星会点燃内部的氦聚变，爆发1a型超新星。

也就是说，新星的产生吸积物质的速度要相对缓慢，不然就会失控摧毁整颗白矮星，当这个缓慢的过程使得白矮星周围的氢元素变得足够多，就会点燃边缘氢元素的聚变。

这个过程中会发生爆炸，产生大量的能量，形成新星。更重要的是，这个过程中会产生大量的铍-7，直接被抛洒到宇宙中。

产生新星爆发的白矮星并不会在爆炸中被摧毁，而是会消耗小它吸积的物质，使得质量回到刚开始的时候，然后它会继续缓慢吸积伴星的物质，然后产生下一次表面核聚变，发生爆炸。

这次科学家团队在新星的爆发过程中发现了大量的铍-7，而且丰度远高于红巨星中的铍-7。

所以所这次的观测发现解释了长期以来星系中，乃至宇宙中锂-7来源确实的问题。它来自于频繁爆发的新星之中。