太陽系外漫遊②：揭開星雲的美麗面紗 | 觀天者説_風聞

大自然不僅是一名工程師，更是一位藝術家。

上一期中我們領略了它如何精妙的構造出了我們的家園銀河系；這一期，我們將一起探討宇宙中最具藝術感、顏值最高的天體——星雲。

我們肉眼能夠看到的滿天繁星，除了水、金、火、木、土五顆行星之外，都是銀河系中的恆星，在我們觀測者眼中它們都是點光源。然而，有一種天體在我們望遠鏡中的成像則呈現出彌散的面狀結構，它們形態各異，變化萬千。早期人們用“星雲”一詞來泛指這種具有擴散形狀的天體（其中還包括了部分彗星、星團以及河外星系）。“星雲”源自拉丁語的nebulae ，原意是“雲”，外形上它們確實猶如白雲一樣展現出了豐富的形態變化，給人以美感和震撼，例如以植物命名的玫瑰星雲；以動物命名的貓爪星雲、以人物命名的女巫頭星雲等等。

圖1：從左到右分別為玫瑰星雲、貓爪星雲和女巫頭星雲。圖片來源：Andreas Fink, 2012；George Varouhakis；Noel Carboni。

通過現代的天文觀測手段，我們已經知道，星雲是宇宙中由於引力束縛而聚集在一起的星際氣體、塵埃和等離子體的集合。星雲的尺度大約為3光年到300光年，其平均密度一般約為每立方厘米幾十到幾百個原子。星雲的內部往往包裹着高温緻密的天體（新生的恆星或死亡的恆星），它們向外輻射出高能的光子會將這些外圍氣體電離，從而發射出包括可見光在內的各個波段的輻射，形成了絢爛多姿的星雲圖案。星雲的“顏色”取決於它的化學組成和被電離的程度，由於星際間氣體的成分絕大部分是在相對較低能量下就能電離的氫，所以許多星雲的顏色都是偏紅色的。如果有更高的能量能造成其他元素的電離，那麼就會呈現出綠色和藍色等等。

天文學家將這些五彩斑斕、形態百變的星雲按形態的不同主要分為了三種主要類型，它們分別是：瀰漫星雲、行星狀星雲和超新星遺蹟。

1. 瀰漫星雲

這種星雲沒有規則的形狀，也沒有明顯的邊界，平均直徑大約為幾十到幾百光年。在瀰漫星雲的範疇中最為主要的是發射星雲和暗星雲。發射星雲一般位於恆星形成區（也稱為HII區或電離氫區），其中的氣體和塵埃在引力作用下向凝聚中心塌縮，新一代的恆星就在這些區域中形成。這些年輕的恆星發出高能的紫外波段輻射，使外層的氣體發生電離。最著名的發射星雲是獵户座大星雲，它是銀河系中一個典型的恆星形成區，大量年輕的恆星正在其中孕育和誕生。

圖2：獵户座大星雲（M42，NGC1976）。圖片來源：NASA, ESA, M. Robberto

暗星雲是本身不會發光的一種星雲，它由濃密的氣體和塵埃組成，從而使這類星雲具有較大的密度，大到足以遮擋後方的發射星雲或背景恆星。最著名的暗星雲當屬馬頭星雲。馬頭星雲主要是由濃厚的塵埃組成，從地球的方向看去，黑暗的塵埃和旋轉的氣體構成的形狀猶如馬頭。襯托它的背景為明亮的發射星雲IC 434。

圖3：馬頭星雲（Barnard33）。圖片來源：European Southern Observatory

2. 行星狀星雲

行星狀星雲是質量較小的恆星演化至老年的紅巨星階段後，其外層氣體殼層向外膨脹並同時被電離，從而形成的向外擴展狀的發射星雲。雖然它的名字裏有“行星”二字，但其實與行星毫無關係，只是最初天文學家發現這種星雲的輪廓大多呈圓形，直觀上看與行星類似。著名的貓眼星雲和環狀星雲就是行星狀星雲的典型代表。

圖4：貓眼星雲（NGC6543）與環狀星雲(M57)。圖片來源分別為：J.P.Harrington and K.J. Borkowski (University of Maryland), and NASA；The Hubble Heritage Team (AURA/STScI/NASA)

3. 超新星遺蹟

如果説上述的行星狀星雲來自恆星“緩慢”的死亡過程，那麼超新星遺蹟則是恆星“劇烈”毀滅後的產物。它是超新星爆發時拋出的物質在向外高速膨脹的過程中與星際介質相互作用從而形成的雲狀或殼狀的延展天體，也屬於發射星雲。我們最熟悉的超新星遺蹟是蟹狀星雲，它對應的超新星正是由我國宋代所記載的1054年突然變亮的“天關客星”。

圖5：蟹狀星雲（NGC 1952）。圖片來源：NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University) -HubbleSite

當我們欣賞這一幅幅美麗的星雲圖像時，你可曾想到，它們所展現的美正是來自恆星演化中生生不息的循環，那些由上一代恆星深處的熱核反應所形成的各種元素，在恆星死亡之時被拋向深空，這些物質形成了絢麗的產物——星雲。而星雲又將作為原材料，在時間的長河中去形成下一代恆星。我們每個人身體裏的每個原子，都來自恆星的死亡與再生的輪迴過程。

如果恆星的一生是一首交響樂，那麼星雲既是它壯美的終章，又是它華麗的序曲。我們對星雲的研究，貫穿着恆星的誕生與死亡，它將為人類打開一扇窗，通往理解天體演化和物質循環的終極規律。

我們今天的故事就講到這裏，下期我們將走出銀河系，去看看其他星系和星系團。下期見，來自星雲的你。

主講人簡介

趙斐，理學博士，中國科學院國家天文台助理研究員。主要從事系外行星搜尋與宜居性研究。