太阳系外漫游②：揭开星云的美丽面纱 | 观天者说
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原创 赵斐 中国科学院国家天文台 2020-06-10
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大家好，我是中科院国家天文台的赵斐。今天，让我们一起揭开星云的美丽面纱。
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大自然不仅是一名工程师，更是一位艺术家。
上一期中我们领略了它如何精妙的构造出了我们的家园银河系；这一期，我们将一起探讨宇宙中最具艺术感、颜值最高的天体——星云。
我们肉眼能够看到的满天繁星，除了水、金、火、木、土五颗行星之外，都是银河系中的恒星，在我们观测者眼中它们都是点光源。然而，有一种天体在我们望远镜中的成像则呈现出弥散的面状结构，它们形态各异，变化万千。早期人们用“星云”一词来泛指这种具有扩散形状的天体（其中还包括了部分彗星、星团以及河外星系）。“星云”源自拉丁语的nebulae ，原意是“云”，外形上它们确实犹如白云一样展现出了丰富的形态变化，给人以美感和震撼，例如以植物命名的玫瑰星云；以动物命名的猫爪星云、以人物命名的女巫头星云等等。
图1：从左到右分别为玫瑰星云、猫爪星云和女巫头星云。图片来源：Andreas Fink, 2012；George Varouhakis；Noel Carboni。
通过现代的天文观测手段，我们已经知道，星云是宇宙中由于引力束缚而聚集在一起的星际气体、尘埃和等离子体的集合。星云的尺度大约为3光年到300光年，其平均密度一般约为每立方厘米几十到几百个原子。星云的内部往往包裹着高温致密的天体（新生的恒星或死亡的恒星），它们向外辐射出高能的光子会将这些外围气体电离，从而发射出包括可见光在内的各个波段的辐射，形成了绚烂多姿的星云图案。星云的“颜色”取决于它的化学组成和被电离的程度，由于星际间气体的成分绝大部分是在相对较低能量下就能电离的氢，所以许多星云的颜色都是偏红色的。如果有更高的能量能造成其他元素的电离，那么就会呈现出绿色和蓝色等等。
天文学家将这些五彩斑斓、形态百变的星云按形态的不同主要分为了三种主要类型，它们分别是：弥漫星云、行星状星云和超新星遗迹。
1. 弥漫星云
这种星云没有规则的形状，也没有明显的边界，平均直径大约为几十到几百光年。在弥漫星云的范畴中最为主要的是发射星云和暗星云。发射星云一般位于恒星形成区（也称为HII区或电离氢区），其中的气体和尘埃在引力作用下向凝聚中心塌缩，新一代的恒星就在这些区域中形成。这些年轻的恒星发出高能的紫外波段辐射，使外层的气体发生电离。最著名的发射星云是猎户座大星云，它是银河系中一个典型的恒星形成区，大量年轻的恒星正在其中孕育和诞生。
图2：猎户座大星云（M42，NGC1976）。图片来源：NASA, ESA, M. Robberto
暗星云是本身不会发光的一种星云，它由浓密的气体和尘埃组成，从而使这类星云具有较大的密度，大到足以遮挡后方的发射星云或背景恒星。最著名的暗星云当属马头星云。马头星云主要是由浓厚的尘埃组成，从地球的方向看去，黑暗的尘埃和旋转的气体构成的形状犹如马头。衬托它的背景为明亮的发射星云IC 434。
图3：马头星云（Barnard33）。图片来源：European Southern Observatory
2. 行星状星云
行星状星云是质量较小的恒星演化至老年的红巨星阶段后，其外层气体壳层向外膨胀并同时被电离，从而形成的向外扩展状的发射星云。虽然它的名字里有“行星”二字，但其实与行星毫无关系，只是最初天文学家发现这种星云的轮廓大多呈圆形，直观上看与行星类似。著名的猫眼星云和环状星云就是行星状星云的典型代表。
图4：猫眼星云（NGC6543）与环状星云(M57)。图片来源分别为：J.P.Harrington and K.J. Borkowski (University of Maryland), and NASA；The Hubble Heritage Team (AURA/STScI/NASA)
3. 超新星遗迹
如果说上述的行星状星云来自恒星“缓慢”的死亡过程，那么超新星遗迹则是恒星“剧烈”毁灭后的产物。它是超新星爆发时抛出的物质在向外高速膨胀的过程中与星际介质相互作用从而形成的云状或壳状的延展天体，也属于发射星云。我们最熟悉的超新星遗迹是蟹状星云，它对应的超新星正是由我国宋代所记载的1054年突然变亮的“天关客星”。
图5：蟹状星云（NGC 1952）。图片来源：NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University) -HubbleSite
当我们欣赏这一幅幅美丽的星云图像时，你可曾想到，它们所展现的美正是来自恒星演化中生生不息的循环，那些由上一代恒星深处的热核反应所形成的各种元素，在恒星死亡之时被抛向深空，这些物质形成了绚丽的产物——星云。而星云又将作为原材料，在时间的长河中去形成下一代恒星。我们每个人身体里的每个原子，都来自恒星的死亡与再生的轮回过程。
如果恒星的一生是一首交响乐，那么星云既是它壮美的终章，又是它华丽的序曲。我们对星云的研究，贯穿着恒星的诞生与死亡，它将为人类打开一扇窗，通往理解天体演化和物质循环的终极规律。
我们今天的故事就讲到这里，下期我们将走出银河系，去看看其他星系和星系团。下期见，来自星云的你。
主讲人简介
赵斐，理学博士，中国科学院国家天文台助理研究员。主要从事系外行星搜寻与宜居性研究。
主编：石硕
轮值主编：姜晓军
文稿撰写：赵斐
音频后期：杨帆
栏目监制：万昊宜、宋雅娟
编辑：赵宇豪、柒柒
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