本书中不仅有大量的精美图片和最新资料，还介绍有关恒星和行星形成的新进展。书中讨论了暗星云中孤立恒星的产生、星团和星云的形成、星际气体和尘埃的“生态学”以及可能产生黑洞的剧烈星暴，并把星系演化的过程与地球上生命的起源联系起来。

本书刊载的大部分图像比人眼所见，甚至通过最大的望远镜观察，都远为详尽绚丽和纤毫毕现。某些图像展示的天体正在人眼完全不可见的波段发射“光线”。因此在展示天体图像时应用彩色，不同于普通照片的习惯。

恒星形成是宇宙的基本过程，它使星系可见并使宇宙中正常物质的演化有规律可循。恒星把在大爆炸中产生的原初的氢和氦熔炼成较重的元素。短寿命的大质量恒星产生强烈的辐射，在超新星灾变性爆发中死亡，并调节着周围形成的恒星的星云；与此同时，行星在小质量恒星周围形成，为生命进化提供长期稳定的环境。要了解我们的起源，就必须考察恒星。

本书中不仅有大量的精美图片和最新资料，还介绍有关恒星和行星形成的新进展。书中讨论了暗星云中孤立恒星的产生、星团和星云的形成、星际气体和尘埃的“生态学”以及可能产生黑洞的剧烈星暴，并把星系演化的过程与地球上生命的起源联系起来。

前言

第1篇 恒星和星团

第1章 我们的宇宙后院／002

第2章 仰望夜空／014

第3章 银河系的暗星云／028

第4章 幼年恒星／044

第5章 产生中的伴星：双星／061

第6章 年轻恒星发出的外流／071

第7章 走向成年／092

第8章 恒星的社群生活：恒星群／108

第9章 巢穴内的混沌：大质量恒星短暂的一生／121

第2篇 行星系

第10章 太阳系的形成过程／141

第11章 来自远古的信息／159

第12章 行星形成中的偶然因素／170

第13章 环绕其他恒星的行星／183

第3篇 宇宙的组成

第14章 宇宙的循环／195

第15章 星系里的恒星形成／213

第16章 第一代恒星和星系／234

第17章 天体生物学、生命起源和SETI计划／242

注释

恒星：灯塔和建筑材料

恒星是宇宙的可见组元，它们在天文学中所起的作用类似于化学中的原子。恒星产生光和能，激发并加热空间的气体和尘埃，并使得在地球这类行星上可能产生生命。此外，恒星是元素制造工厂。今天存在于宇宙中的大多数比氦更重的化学元素是在恒星内部通过热核聚变反应熔炼出来的，原材料则是大爆炸之后产生的氢和氦。确实，生命和地球的大部分物质是由从死亡恒星中心进发出来的尘埃在反复循环中形成的。如果没有元素在恒星核心的热核反应，就不可能有我们所熟悉的地球和生命。

恒星的尺度、质量和温度各不相同。有些比太阳更热或更重，而大部分恒星则稍冷且较小。

一个天体要成为一颗恒星，至少必须具有1／10太阳质量。质量小于此值的任何星云，不可能在自引力的作用下形成恒星，因为永远不可能达到启动恒星发光的核反应所需的内部压力和温度。质量较小的天体确实存在。然而，它们不能持久地维持稳定的光芒。它们能在产生后的几百万年内像正常恒星一样发光，消耗着由自身形成和收缩所释放的引力能。但是，由于它们无从使用其内部的长效能源，它们就会收缩，在几十亿年内逐渐暗淡到几乎不复可见。这类消亡的恒星称为褐矮星。老的褐矮星已经冷却，它们与木星这类气态巨行星相似。

质量最大的恒星比太阳重约100倍，明亮100万倍。因此，它们仅在几百万年里就把可使用的燃料消耗殆尽，并在灾变性的爆炸中死亡。质量更大的恒星显然是不能存在的。超过100太阳质量的更大的恒星将在其核心产生极其巨大的能量。相应的辐射压力将把它的表面层吹向空间。迅猛的产能率将摧毁这样一个假想的特大质量恒星。正如我们将在第9章所见，恒星的辐射压也影响确实存在的最大质量恒星的演化。大质量恒星在它们比较短暂而辉煌的一生中，向周围吹送了猛烈的星风。在恒星消耗其核燃料直至死亡的过程中，这种星风耗散了大质量匣星的大部分质量。

太阳在其形成之后将生存约100亿年，然而大质量恒星在几百万年内便会耗尽其所有氢燃料。因此，所有的大质量恒星一定是年轻的。就今天闪耀于天空的这类恒星而言，恒星诞生的过程看来就在眼前展现。

恒星的形成决定着宇宙中普通物质的演化，因而是宇宙的基本过程。此外，行星的产生看来是恒星形成的直接副产品。因此为了明白我们的起源，我们必须考察恒星。我们必须理解恒星如何发光和产能，它们如何制造化学元素，它们如何死亡并进行自身“轮回”，最重要的是，恒星和行星形成是怎样进行的。最后一个问题正是本书的主题。

恒星是极其遥远的太阳。如果我们假设恒星的光度与太阳相当，通过将它们的视亮度与太阳比较，就能估计它们的距离。这种粗略的估计表明，即使最近的恒星也要比太阳远数十万倍。天文学家把日地距离作为计量的单位，称为天文单位，简记为Au。

18世纪中叶，人们对几颗最近恒星的视位置作了历经1年的仔细测量，证实了这个推测。随着地球环绕太阳运动，天空中近距恒星的位置相对于远距恒星不断改变。这种“视差”的测量极其困难，但仍是测定恒星距离的最可靠方法。

恒星为什么发光？是什么产生了星光？恒星能生存多久？我们看到的星光是由恒星表面的炽热气体发射的。这些气体向空间发出辐射，本身随之冷却。为了能持续发光，恒星表面必须保持炽热，一定要有能量从恒星内部的深处上升到表面，来补充以星光的形式散逸到空间的能量。

在20世纪中叶之前，诸如太阳这类恒星能发光几十亿年所需的能量来源，尚不为人所知。19世纪曾有人作了计算，如果太阳依靠消耗煤之类的化学燃料发光，那么它将在10万年之内熄灭。另一方面，不难设想太阳会从引力提取能量。正如一个水力发电站利用下落的水流发电，太阳也会从引力收缩取得能量。如果太阳能够收缩，将会释放引力能。为了补充由阳光辐射到空间的能量，太阳必须在100万年内收缩过半。但是，在20世纪初，地质学家发现证据，表明地球上许多岩石的年龄已达几亿年。他们的结论是太阳的寿命比化学能或引力能所能够提供的长得多。20世纪30年代人类发现了核力和核能，在此之前，太阳能源一直是个谜。

恒星是宇宙中数得上的庞然大物，为了一探能源的究竟，我们不得不深人到微观世界的原子内部去，这不免令人莞尔。在19世纪与20世纪之交，人们已经了解原子由电子和原子核s构成。前者质量较低，带有电荷，急速地环绕后者飞行；后者密度甚高，质量是前者的数千倍。原子核与本已极其细微的原子相比更要微小得多，它们包含带正电荷的质子和不带电的中子。但是，电子的电荷是负的，而相反的电荷相互吸引。于是电子便束缚于荷正电的质子的电力吸引之中。

氢是最简单的原子，它由一个质子和绕其旋转的单个电子组成。其他元素的原子核包含两个或更多的质子，周围环绕着一层由同样数量的电子形成的云。每当在原子核中加上一个质子(通常还会加上一个或多个中子)，便生成了新元素的原子核。由此而得的原子核所增加的电荷会束缚住新的电子，从而形成电中性的原子，每一种原子的化学性质和物理性质都各不相同。这一切说明了宇宙中有92种不同的稳定元素。

为什么原子核包含着中子？并且不像电荷的吸引，而像电荷的排斥。必须有一种比电力强大得多的力去克服束缚于比氢更重的原子核内的质子之间的巨大的电斥力。中子负载着这种力，它的作用是把在比氢更重的核内相互排斥的质子胶结在一起。这种“粘胶”称为“强核力”’。在核“裂变”反应中，当像铀这样的重核破碎成为较轻的元素时，其中束缚着的能量会释放出来，这正是当前所有核电站的反应堆里进行的过程。但是，在核“聚变”反应中，当像氢这样的轻核结合形成像氦这样更重的核时，会有更多的能量释放出来。

1948年实现了由氢聚变成氦的热核反应，这正是太阳和大多数其他恒星的能源。氢转化为氦的核聚变反应能在约100亿(10的10次方)年期间为太阳维持惊人的能量输出，这一时期比太阳系当前年龄45亿年的两倍还长。

恒星的颜色与它们的表面温度有关，而后者又与它们的质量和演化状态有关。太阳的表面温度约6000℃，它是黄色的。比太阳更热的恒星偏蓝，而更冷的恒星则偏红。但是在20世纪的前几十年里，发现了一种意外的景象。大多数蓝星都比太阳更亮更重。另一方面，大多数红星则更暗更轻。这些“正常”星，构成了所有恒星的大多数(约90％)，在热核聚变反应中，正在把氢燃烧成为氦。

排除在这些“正常”星之外的主要有红巨星和超巨星。由于它们耗尽了氢燃料，星核变得更加致密和炽热。同时这类恒星的外层膨胀并冷却。因此，当它们逐步迈向死亡的时候，便变得越发明亮和偏红。质量较大的恒星在超巨星阶段通过燃烧重元素的后续聚变反应，可以略为延长寿命，这将在下一章讨论。

P5-7

恒星和星系是可观测宇宙中的基本单元。在往昔和当今的天文学家们冥思苦想的最深刻的问题之中，恒星和星系的起源问题赫然在列。虽然关于星系的形成，我们只瞥见了解决问题的一线曙光，可是关于恒星和与之相伴的行星的诞生，则正在迅速地揭秘。最近25年来的技术发展拓宽了波段范围，人们从而能深入探测暗星云的内部，直接探明恒星的孕育和诞生。新的高分辨率的观测技术正在发展，足以探测在自己怀中孕育行星的星周盘。在最近10年之内，揭示恒星和行星形成全过程中的主要图景，将是可能的，甚至很有希望。

我们希望通过本书与广大读者分享人类在理解宇宙起源的历程中取得的辉煌进展和睿智成就。在本书的写作过程中，我们必须作一系列选择。首先，我们面对着的是不具备天文学和物理学专门知识，但是希望探其堂奥的广大读者，本书应能适合他们。因此，当物理的、技术的和天文的概念不可避免地出现时，我们就写下了内容丰富的注释来解决疑难。同时，我们把方程式只放在脚注内，而不置于正文中，正文只用来讨论物理原理。其次，尽管本书不是仅供悦目的精美画册。但我们还是想把恒星和行星形成的壮丽景象呈现于世，所以我们还是尽力而为，选择这一范畴内许多最令人目炫神迷的图像。为了版式美观，本书只罗列了少量图表，而且大多数放入注释部分。最后，本书主题涉及相当广泛，各部分内容的深入描述不可能面面俱到，因此本书内容凸显了我们的观点和特定的研究兴趣。

本书刊载的大部分图像比人眼所见，甚至通过最大的望远镜观察，都远为详尽绚丽和纤毫毕现。某些图像展示的天体正在人眼完全不可见的波段发射“光线”。因此在展示天体图像时应用彩色，不同于普通照片的习惯。大多数电子图像传感器对颜色是不敏感的，实际上它们只是记录它们对之敏感的某个波长范围内光线的强度。为了获得彩色像，必须把使用不同颜色f如蓝色、绿色和红色)滤色镜曝光所得的像加以合成，结果是“天然色的”像。许多天文图像是用滤色镜和探测器记录下来的，它们允许通过和记录的波段根本上不同于人眼能见的波段。例如，第一张像能在射电波段记录，第二张像能在红外波段记录，而第三张像则能在紫外波段记录。这种像不能用记录它们的“颜色”表示。在这种情况下，最自然的方式是把长波段的像用红色表示，中波段的像用绿色表示，而短波段的像用蓝色表示。虽然最终的彩色像并非“真实颜色”，但是色彩至少是以波长的顺序展现。一些特殊的滤色镜只允许特定的原子、离子或分子相应的狭窄波段通过，为了展现通过这些特殊的滤色镜所获取的资料，也普遍地应用色彩。在展示喷流、气流和星云像的各章节，许多图像是用这类窄波段滤色镜记录的。它们只允许氢原子、硫离子或其他元素的谱线通过。在这种情况下，颜色只是用于鉴别不同物理条件下的区域。尽管有种种这类局限，我们仍相信所得的图像显示了天体的美丽。

我们感谢我们的同事阿兰·博斯、乔治·赫比格、戴维·杰维特、萨拉·奈茨、纳森·史密斯和亨利·斯鲁普，他们在各章写作的各阶段，评论了某些或全部章节。我们也向为我们提供了图像复本的多位同事致以谢忱。他们是：奥弗斯、阿米特奇、阿斯频、马修·贝特、比塞尔、波芬、阿兰·博斯、布卡一拉森、居央德尔、托尼和达芙妮·达拉斯、戴姆、丹·杜尔达、杰克·伊斯特曼、英格利什、汉森、哈梯根、哈维、乔治·赫比格、黑斯特、琼斯顿、克利、拉达、但丁·拉乌列塔(我们使用了他和基尔哥合著的《陨星薄切片彩色图片集》一书中的图像)、刘、麦克柯林、麦克尼尔、莫克尔、本·莫尔、斯图加德·尼尔森、奥德尔、帕杰特、托马斯·普列比什、列克托、罗德里格斯、约翰尼斯·舍德勒、斯蒂凡·塞普(www.astromeeting.de)、纳森·史密斯、萨色兰、泰勒、戴维·汤普逊、瓦拉文德、王伟浩(音)和维特沃思。我们也感谢欧洲南方天文台、双子座望远镜、美国宇航局、美国光学天文台、美国射电天文台和日本昴星团望远镜准许我们使用图像。

我们感谢杰奎琳·加杰特和剑桥大学出版社，他们以极大的耐心等待我们数次延期交稿。

再次衷心感谢我们的夫人基姆和梅尔西娅在许多漫漫长夜里陪伴我们写作。