錐狀星云位于距離地球2500光年的麒麟星座，其龐大的塵埃柱內(nèi)正在孕育新生的恒星。NASA

天文詞典

功能強(qiáng)大的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡不但為天文學(xué)家們揭開宇宙萬物的奧秘提供了觀測數(shù)據(jù)，還產(chǎn)生了不少視覺效果令人窒息的太空美圖，使廣大公眾能夠透過這些圖片領(lǐng)略太空中的壯美景象。在這些美圖之中，“創(chuàng)生之柱”是其中最為人所知的一副。在照片中，鷹星云中的氣體和塵埃形成了三個(gè)手指狀的柱形結(jié)構(gòu)，有如巍峨的高山一般聳立在太空之中。那么，星云到底是什么?它和恒星的生和死有什么關(guān)系?

天空中的光斑

星云是由星際空間的氣體和塵埃結(jié)合成的云霧狀天體。它的體積比恒星大，密度又非常稀薄。和呈現(xiàn)一個(gè)光點(diǎn)的恒星不同的是，星云是天空中的一團(tuán)光斑。獵戶座大星云等比較明顯的星云，通過肉眼就可以辨認(rèn)出來。隨著望遠(yuǎn)鏡在近代被投入使用，有越來越多的這類光斑被發(fā)現(xiàn)。

限于觀測水平，人們曾將星云與星系混淆。著名哲學(xué)家康德曾經(jīng)用“島宇宙”的概念對所謂的星云進(jìn)行解釋。隨著更大口徑的望遠(yuǎn)鏡被逐步投入使用，人們發(fā)現(xiàn)有些光斑狀的天體的確可以分解成一顆顆恒星，和康德預(yù)言的現(xiàn)象一致。但有些光斑狀天體卻無論如何也分解不開。天文學(xué)家赫歇爾由此推斷，那些無法分解開的天體可能是由大團(tuán)氣體組成的，即星云。而那些能分解成一顆顆恒星的島宇宙，實(shí)際上是遙遠(yuǎn)的星系。

真正揭開星云本質(zhì)的，是英國天文學(xué)家哈金斯。他發(fā)現(xiàn)，那些無法分解成恒星的光斑狀天體的光譜中具有許多發(fā)射線，即只有某些波段的光信號較強(qiáng)，而其他大部分波段的光信號則都比較弱。這和恒星的光譜特征有著顯著的不同。在恒星的光譜中，只有某些波段的信號較弱，而大部分波段的光信號都比較強(qiáng)，呈現(xiàn)出一些吸收線。無法分解成恒星的光斑狀天體，其光譜特征與稀薄氣體的光譜特征較為接近，因此星云實(shí)際上就是太空中的一團(tuán)發(fā)光氣體。

新生恒星的溫床

按照人們目前對星云的認(rèn)識，可以將其分為彌漫星云、行星狀星云和超新星遺跡星云。彌漫星云的形狀各異，質(zhì)量在太陽質(zhì)量的10倍到1000倍之間，占據(jù)的空間范圍平均為幾十光年。按照發(fā)光特性的不同，又可以將彌漫星云分為發(fā)射星云、反射星云和暗星云。這幾種星云本身在物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征上并沒有明顯的差異，而其發(fā)光特征的不同來源于附近恒星的差異。

在星云中，氫離子和電子總是試圖結(jié)合成為中性的氫原子。如果星云內(nèi)部或附近恰好存在一顆溫度較高的恒星，那么恒星發(fā)出的強(qiáng)紫外輻射將會(huì)將中性的氫原子重新拆散成氫離子和電子。氫原子形成和拆散的過程最終會(huì)達(dá)到平衡，即一定時(shí)間里復(fù)合和拆散的氫原子數(shù)一樣多。氫原子復(fù)合的過程會(huì)發(fā)出可見光，使發(fā)射星云發(fā)光。

而反射星云附近的恒星溫度較低，紫外波段的輻射不足以激發(fā)星云中的物質(zhì)發(fā)光。反射星云發(fā)出的光來自于星云中的星際塵埃對附近恒星光線的散射。暗星云附近則沒有明亮的恒星，氣體本身不發(fā)光，塵埃也無法反光，在身后亮背景的襯托下，顯示出黑暗的輪廓。

彌散星云可以成為新恒星誕生的溫床。質(zhì)量很大的星云會(huì)在自身的引力作用下經(jīng)歷收縮、密集和升溫的過程。當(dāng)星云的質(zhì)量很大時(shí)，密度足夠大的星云區(qū)收縮的更快，導(dǎo)致星云瓦解成若干個(gè)中等星云。如此的過程在中等星云中重復(fù)后，中等星云將繼續(xù)瓦解成一些更小的星云。這些小星云吸引著周圍的氣體和塵埃逐步聚集，自身溫度也隨之升高，最終形成了恒星的“胚胎”——原恒星。在“創(chuàng)生之柱”中，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了若干個(gè)原恒星，表明恒星產(chǎn)生的過程正在鷹星云中生生不息地進(jìn)行著。

死亡恒星的遺跡

雖然和恒星蓬勃誕生的彌散星云同屬星云家族，但行星狀星云是恒星演化到生命晚期所產(chǎn)生的遺骸。當(dāng)恒星內(nèi)部的核能衰竭之后，恒星內(nèi)層物質(zhì)在引力的作用下收縮成體積小、密度大、溫度高的白矮星，而外殼則向外噴發(fā)，形成體積大、密度小的行星狀星云。由于行星狀星云看似具有行星的外形和顏色，因此被最早研究它的天文學(xué)赫歇爾冠以現(xiàn)在的名稱。但實(shí)際上，行星狀星云和真正的行星基本沒有聯(lián)系。行星狀星云的壽命只有一萬年左右。隨著時(shí)間的推移，行星狀星云還將繼續(xù)膨脹，變得愈發(fā)稀薄，最后完全消失。

超新星遺跡也是恒星死亡留下的殘骸，但在物理特性上與普通的行星狀星云有所不同。質(zhì)量較大的恒星，在演化到晚年時(shí)，會(huì)以超新星爆發(fā)的方式結(jié)束自己的一生。超新星爆發(fā)遺跡星云，就來自于這個(gè)過程中噴發(fā)出的物質(zhì)。著名的蟹狀星云就是超新星的遺跡。產(chǎn)生這個(gè)星云的超新星爆發(fā)于1054年，當(dāng)時(shí)看到的人很多，并被中國古代的天文學(xué)家記載下來。而爆發(fā)留下的物質(zhì)與周圍星際物質(zhì)作用，形成由絲狀氣體云和氣殼構(gòu)成的蟹狀星云。

(作者李會(huì)超 系哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳校區(qū)博士后)

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