星云(Nebula),是稀薄的气体或尘埃构成的天体之一。包含了除行星和
彗星外的几乎所有延展型天体。它们的主要成分是氢,其次是
氦,还含有一定比例的
金属元素和
非金属元素。1990年
哈勃望远镜升空以来的研究还发现含有
有机分子等物质。
定义
星云(源自
拉丁文的:nebulae或nebulæ,与ligature或nebulas,意思是云或雾)是尘埃、氢气、氦气和其他
电离气体聚集的
星际云。原本是天文学上通用的名词,泛指任何天文上的扩散天体,包括在
银河系之外的
星系(一些过去的用法依然留存着,例如
仙女座星系依然使用
爱德温·哈勃发现它是星系之前的名称,被称为
仙女座星云)。星云通常也是恒星形成的区域,例如
鹰星云。这个星云刻画出
NASA最著名的影像:
创生之柱。在这个区域形成的气体、尘埃和
其他材料挤在一起,聚集了巨大的质量,这吸引了更多的质量,最后大到足以形成恒星。据了解,剩余的材料还可以形成行星和
行星系的其它天体。
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,一般星云比太阳要重得多。
星云的形状是多姿多态的。星云和恒星有着“血缘”关系。恒星抛出的气体将成为星云的部分,星云物质在引力作用下压缩成为恒星。在一定条件下,星云和恒星是能够互相转化的。
看来像云雾状的天体。银河系
内太阳系以外一切非恒星状的气体
尘埃云。
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的变化,显然不是彗星,而是当时未知的天体种类。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。
梅西耶建立的星云天体序列仍为现代天文学界使用。他的关于这类天体的记录(
梅西叶星表)发表于1781年,引起英国著名天文学家
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。
由于早期望远镜分辨率不够高,
河外星系及一些星团看起来呈云雾状,因此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。
构成物质
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。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,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。
基本分类
以发光性质分类
1.发光星云
发光星云是发光的气体和尘埃云,包括发射星云和反射星云。
发射星云(Emission nebula)是由星际气体组成的发光的云。光谱中在很弱的连续背景上有许多发射线的亮星云。发射线主要由氢、氦、氧、硫、氖和铁的原子和离子产生,其中有些是禁线。在发射星云内或近旁总有一颗或一群高温恒星,光谱型属O、B0或B1(见恒星光谱分类),在这些星的紫外辐射作用下,星云中的气体被激发而发光。发射星云由气体和尘埃组成,前者估计占星云总质量的99%,后者只有1%。
发射星云是能辐射出各种不同色光的游离气体云(也就是所谓的等离子),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(例如紫外线)。这些不同的发射星云有些类型是H 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。
星云的颜色取决于化学组成和电离物质的量,由于星际气体大部分都是在相对较低的能量下就能电离的氢,所以许多发射星云都是红色的。如果有更高的能量能造成其他元素的电离,绿色和蓝色的辉光就都有可能出现。经由对
星云光谱的研究,天文学家可以推断星云的
化学元素。大部分的发射星云含有90%的氢,其余部分则是氦、氧、氮等其他元素。
在
北半球,最著名的发射星云是在
天鹅座的
北美洲星云(
NGC 7000)和网状星云(
NGC 6960/6992);在南半球最好看的则是在
人马座的
礁湖星云M8/NGC 6523和
猎户座的
猎户星云(
M42)。在南半球更南边的则是明亮的
卡利纳星云(
NGC 3372)。
发射星云经常会有
黑斑出现,这是云气中的尘埃阻挡了光线造成的。 发射星云和尘埃的组合经常会造成一些看起来很有趣的天体,而许多这一类的天体都会有传神或有比喻的名称,例如北美洲星云和锥星云。有些星云是由
反射星云和发射星云结合在一起的,例如:
三裂星云。
b.反射星云
反射星云是靠反射附近恒星的光线而发光的,因瑞利散射原理而主要呈蓝色。较容易观测到的例子是围绕着
金牛座M45
昴星团(七姊妹星团)的反射星云,在透明度高及无月的晚上,利用望远镜便可看到整个星团是被
淡蓝色的星云包裹著的。
以天文学的观点,反射星云只是由尘埃组成,单纯地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紫外辐射强度,不能让反射星云像发射星云那样因被电离而发光,但有足够的可见光亮度,可以让
尘粒因反射和散射光线而被看见。因此,反射星云的光谱与照亮它的恒星相似。
如果星云附近没有亮星,星云将保持黑暗,即为暗星云。暗星云既不发光,也没有光供它反射,但是会吸收和散射来自背后的光线,因此可以在恒星密集的银河中或明亮的
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。这些暗星云的形成通常是无规则可循的:它们没有被明确定义的外形和边界,有时会形成复杂的蜿蜒形状。巨大的暗星云以肉眼就能看见,在明亮的银河中呈现出黑暗的条块。暗星云的内部是发生一些重要天文事件的场所,例如恒星的形成。
以形态分类
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
天体照相机进行
长时间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能得到的真空要低得多)。
它们主要分布在
银道面(HOTKEY)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。
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,是正在演化成
白矮星的恒星。中央星不断向外抛射物质,形成星云。可见,行星状星云是恒星晚年演化的结果,它们是如太阳差不多质量的
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便会逐渐消失。
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,最后趋于消散。
最有名
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。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。它是因为它有脉冲式的
无线电波辐射而发现的,并在理论上确定为中子星。
双极星云
双极星云的特征是有着独特的波瓣形成
轴对称的星云。许多,但不是全部,行星状星云在观测上展现出双集的结构。这可能是有直接关连的两种类型星云,在星云的发展中是一种在之前的或将取代另一个。
虽然还不知道构成星云的确实成因,它可能是一种称为双极逸流的
物理过程,即恒星将高能量的粒子抛出成为
流束由两极向外流出的现象。一种理论认为这些
流出物会与环绕在恒星周围的物质碰撞(可能是星际尘埃,或是在早先的
超新星事件中环绕在周围的壳层)。
其他分类
最初所有在宇宙中的云雾状天体都被称作星云。后来随着
天文望远镜的发展,人们的观测水准不断提高,才把原来的星云划分为星团、
星系和星云三种类型。
有的星云是恒星的出生地,星云的尘埃在引力下渐渐收缩成为新的星,如猎户座的M42星云也有的是老恒星爆炸后的残骸,如天鹅座的网状星云。
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。
相关概念
星云与星系
由于观测工具的限制,历史上,星系曾与星云混为一谈。 星系一词源自于希腊文中的galaxias(γαλαξίας),广义可以是由无数的
恒星系(当然包括恒星的自体)、尘埃(如星云)组成的
运行系统。指参考我们的
银河系,是一个包含恒星、气体的
星际物质、
宇宙尘和
暗物质,并且受到重力束缚的大质量系统。
典型的
星系,从只有数千万(107)颗恒星的
矮星系到上兆(1012)颗恒星的
椭圆星系都有,全都环绕着
质量中心运转。除了单独的恒星和稀薄的星际物质之外,大部分的星系都有数量庞大的多星系统、星团以及各种不同的星云。
历史上,星系是依据它们的形状分类的(通常指它们视觉上的形状)。最普通的是椭圆星系,有着椭圆形状的明亮外观;
漩涡星系是圆盘的形状,加上弯曲尘埃的旋涡臂;形状不规则或异常的,通常都是受到邻近的其他星系影响的结果。邻近星系间的
交互作用,也许会导致星系的合并,或是造成恒星大量的产生,成为所谓的
星爆星系。缺乏有条理结构的小星系则会被称为
不规则星系。
在可以看见的
可观测宇宙中,星系的总数可能超过一千亿(1011)个以上。大部分的星系直径介于1,000至100,000[4]
秒差距,彼此间相距的距离则是
百万秒差距的
数量级。
星系际空间(存在于星系之间的空间)充满了极稀薄的
等离子,平均密度小于每立方米一个原子。多数的星系会组织成更大的集团,成为
星系群或团,它们又为聚集成更大的
超星系团。这些更大的集团通常被称为薄片或纤维,围绕在宇宙中巨大的空洞周围。
虽然我们对
暗物质的了解很少,但在大部分的星系中它都占有大约90%的质量。观测的资料显示超重黑洞存在于星系的核心,即使不是全部,也占了绝大多数,它们被认为是造成一些星系有着活跃的核心的主因。银河系,我们的地球和
太阳系所在的星系,看起来在核心中至少也隐藏着一个这样的物体。
星云恒星转化
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于它提供了光和热。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。
著名星云
上帝之眼
2009年2月26日,欧洲天文学家日前从浩瀚太空拍摄到看似目不转睛的“
宇宙眼”的壮观照片,并称之为“上帝之眼”。从照片上可以看到,蔚蓝色瞳孔和白眼球的四周是肉色的眼睑,与我们的眼睛像极了,但“上帝之眼”其实浩瀚无边,它散发的光线从一侧到另一侧需要两年半时间。这个物体其实是由位于
宝瓶座中央的一颗昏暗恒星吹拂而来的气体和尘埃形成的外壳。太阳系在未来50亿年内也将遭受同样的命运。
“上帝之眼”处于距地球700光年远的宝瓶座,实际上,业余
天文爱好者通过小型望远镜可以隐约看见它,他们称其为
螺旋星云(Helix Nebula),覆盖的天空区域大概相当于一轮满月的四分之一。这张罕见、壮观的照片是由架设于
智利拉西拉山顶的
欧洲南方天文台的一台巨型望远镜拍摄到的。照片是如此的清晰,我们甚至可以在中央“眼珠”里看到遥远星系。
上帝之唇
美国宇航局拍摄到一张暮年恒星形成的星云图像,星云的形状酷似撅起来准备亲吻的嘴唇。
这颗正在衰亡的恒星
船底座V385距地球16000光年,是银河系最大的天体之一。它的质量是太阳的35倍,亮度是太阳的100多万倍,在进入暮年后迅速燃烧,内部的物质被释放出来形成星云。
美国宇航局的
广域红外探测器拍摄到的一张红外照片显示,船底座V385形成的星云酷似一张撅起来的巨大嘴唇,仿佛宇宙正在亲吻人类。
鹰状星云
在
巨蛇座方向距离地球5500光年的
发光星云M16。M16俗称“
鹰状星云”图像向左上方伸出的那一块区域,被形象地描述为老鹰的“头”。在被视作老鹰身体部分的星云中央的那些亮点,就是新形成的恒星。
我们能够看见发光星云是出于两个原因。第一个原因,是由于
星际气体反射星光而被我们看见。第二个原因,则如这片鹰状星云,是许多新形成的恒星所发出的
紫外线照射星云内部的气体,使之电离而发光。
在鹰状星云里可以看到一个向内伸出的柱状突出区域,那里的气体非常浓密,以致于紫外线难以摄入。那里的气体受到周围恒星发出的恒
星风的压缩,也是一个有可能形成
新恒星的区域。
面纱星云
天鹅座方向距离地球1600光年的星云NGC6960的美丽图像。它的形状犹如拍打出水波的渔网,因此常被称为”
面纱星云“。
据分析,这片星云是1.5万年前的超新星爆发后留下的残骸。在距今1.5万年以前,在此图片的右下方曾经有过一个天体,就是它在那个位置发生了超新星爆发。当时爆发所产生的
冲击波达到每秒数千公里的速度,将星际气体挤到一起,并使它们升温至发光。
面纱星云的实际形状其实是一个很大的球形,此图片显示的只是它西侧的一部分。面纱星云的东西方向正好是天河,亦即
银河系银道面的方向,在这个方向星际气体的密度较大。因此,面纱星云在此图片上能够显示如此清晰的影像。