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第8章 宇宙中的云雾缭绕——星云

1.星云的概念

星云包含了除行星和彗星外的几乎所有延展型天体。它们的主要成份是氢,其次是氮,还含有一定比例的金属元素和非金属元素。近年来的研究人们还发现其含有有机分子等物质。

星云是由星际空间的气体和尘埃结合成的云雾状天体。星云里的物质密度是很低的,若拿地球上的标准来衡量的话,有些地方是真空的。可是星云的体积十分庞大,常常方圆达几十光年。所以,一般星云较太阳要重得多。

2.星云的发现

1758年8月28日晚,一位名叫梅西耶的法国天文学爱好者在巡天搜索彗星的观测中,突然发现一个在恒星间没有位置变化的云雾状斑块。梅西耶根据经验判断,这块斑形态类似彗星,但它在恒星之间没有位置变化,显然不是彗星。

这是什么天体呢?在没有揭开答案之前,梅西耶将这类发现(截止到1784年,共有103个)详细地记录下来。其中第一次发现的金牛座中云雾状斑块被列为第一号,既M1,“M”是梅西耶名字的缩写字母。

梅西耶以此建立起星云天体序列,至今仍然在被人们所使用。他的不明天体记录(梅西耶星表)发表于1781年,引起了英国著名天文学家威廉赫歇尔的高度注意。在经过长期的观察核实后,赫歇尔将这些云雾状的天体命名为星云。

3.不是星云的星云

由于早期望远镜分辨率不够高,因此河外星系及一些星团看起来呈现云雾状,因此人们把它们也称之为星云。

哈勃测得仙女座大星云距离后,证实某些星云其实是和我们银河系相似的恒星系统。由于历史习惯,某些河外星系有时仍被称之为星云,例如大小麦哲伦星云,仙女座大星云等。

4.有关星际物质

当我们提到宇宙空间时,我们往往会想到那里是一无所有的、黑暗寂静的真空。其实,这不完全对。恒星之间广阔无垠的空间也许是寂静的,但远不是真正的“真空”,而是存在着各种各样的物质。这些物质包括星际气体、尘埃和粒子流等,人们把它们叫做“星际物质”。

星际物质与天体的演化有着密切的联系。人们通过观测证实,星际气体主要由氢和氦两种元素构成,这跟恒星的成分是一样的。

其实,恒星就是由星际气体“凝结”而成的。星际尘埃是一些很小的固态物质,其成分包括碳合物、氧化物等。

星际物质在宇宙空间的分布并不均匀。在引力作用下,某些地方的气体和尘埃可能相互吸引而密集起来,形成云雾状。人们形象地把它们叫做“星云”。按照形态,银河系中的星云可以分为弥漫星云、行星状星云等几种。

同恒星相比,星云具有质量大、体积大、密度小的特点。一个普通星云的质量至少相当于上千个太阳,半径大约为10光年。

星云常根据它们的位置或形状命名,例如:猎户座大星云,天琴座大星云。

5.星云的种类

发射星云

发射星云是受到附近炽热光量的恒星激发而发光的,这些恒星所发出的紫外线会电离星云内的氢气,从而令它们发光。

发射星云能辐射出各种不同色光的游离气体云(也就是电浆)。造成游离的原因通常是来自邻近恒星辐射出来的高能量光子。这些不同的发射星云有些类型是氢Ⅱ区,也就是年轻恒星诞生的场所,大质量恒星的光子是造成游离的来源。而行星状星云是垂死的恒星抛出来的外壳被曝露的高热核心加热而被游离的。

通常一颗年轻的恒星在诞生的过程中都会造成周围的部分气体游离,虽然只有质量大而且热的恒星能造成大量的游离,但一群年轻的星团经常也可以造成相同的结果。

反射星云

反射星云是靠反射附近恒星的光线而发光的。由于散射对蓝光比对红光更有效率(这与天空呈现蓝色和落日呈现红色的过程相同),所以反射星云通常都是呈现蓝色的。

以天文学的观点,反射星云只是由尘埃组成的,单纯的反射附近恒星或星团光线的云气。这些邻近的恒星没有足够的热让云气像发射星云那样因被电离而发光,但有足够的亮度可以让尘粒因散射光线而被看见,因此,反射星云显示出的频率光谱与照亮它的恒星相似。

暗星云

如果气体尘埃星云附近没有亮星,则星云将是黑暗的,即为暗星云。暗星云由于它既不发光,也没有光供它反射,但是将吸收和散射来自它后面的光线,因此可以在恒星密集的银河中以及明亮的弥漫星云的衬托下发现。

暗星云的密度足以遮蔽来自背景的发射星云或反射星云的光(比如马头星云),或是遮蔽背景的恒星。

天文学上的消光通常来自大的分子云内温度最低、密度最高部分的星际尘埃颗粒。大而复杂的暗星云聚合体经常与巨大的分子云联结在一起,小且孤独的暗星云被称为包克球。

超新星遗迹

超新星遗迹也是一类与弥漫星云性质完全不同的星云,它们是由超新星爆发后抛出的气体形成的。与行星状星云一样,这类星云的体积也在膨胀之中,最后也趋于消散。

最有名的超新星遗迹是金星座中的蟹状星云。它是由一颗在1054年爆发的银河系内的超新星留下的遗迹。人们在这个星云中央已发现有一颗中子星,但因为中子星体积非常小,用光学望远镜不能看到。它是因为有脉冲式的无线电波辐射而被发现的,并在理论上确定为中子星。

弥漫星云

弥漫星云正如它的名称一样,没有明显的边界,常常呈现为不规则的形状,犹如天空中的云彩。但是它们一般都得使用望远镜才能观测到,很多只有用天体照相作长时间的曝光才能显示出它们的美貌。

它们的直径在几十光年左右,密度平均为每立方厘米10~100个原子(事实上这比实验室里得到的真空要低得多)。它们主要分布在银道面附近。比较著名的弥漫星云有猎户座大星云、马头星云等。

弥漫星云是星际介质集中在一颗或几颗亮星周围而造成的亮星云,这些亮星都是形成不久的年轻恒星。

行星状星云

行星状星云呈圆形、扁圆形或环形,有些与大行星很相像,因而得名,但和行星没有任何联系。不是所有行星状星云都是呈圆面的,有些行星状星云的形状十分独特,如位于狐狸座的M27哑铃星云及英仙座中M76小哑铃星云等。

行星状星云的样子有点像吐的烟圈,中心是空的,而且往往有一颗很亮的恒星在行星状星云的中央,称为行星状星云的中央星,那是正在演化成白矮星的恒星。中央星不断向外抛射物质,形成了星云。

可见,行星状星云是恒星晚年演化的结果,它们是和太阳差不多质量的恒星演化到晚期,核反应停止后,走向死亡时的产物。比较著名的有宝瓶座耳轮状星云和天琴座环状星云,这类星云与弥漫星云在性质上完全不同,这类星云的体积处于不断膨胀之中,最后趋于消散。

行星状星云的“生命”是十分短暂的,通常这些气壳会在数万年之内逐渐消失。

6.星云和恒星的转化

星云的物质密度十分稀薄,主要成分是氢。根据理论推算,星云的密度超过一定的限度,就要在引力的作用下收缩,体积变小,逐渐聚集成团。

一般认为恒星就是星云在运动过程中,在引力作用下,收缩、聚集、演化而成的。恒星形成以后,又可以大量抛射物质到星际空间,成为星云的一部分原材料。

所以,恒星与星云在一定条件下是可以互相转化的。

恒星也有自己的生命史,它们从诞生、成长到衰老,最终走向死亡。它们大小不同,色彩各异,演化的历程也不尽相同。恒星与生命的联系不仅表现在它提供了光和热。实际上构成行星和生命物质的重原子就是在某些恒星生命结束时发生的爆发过程中创造出来的。