第五节 星云

第五节 星云

以前，除了银河里的星云，夜空里那些淡淡的光斑都叫星云。有几个能够用肉眼看到，通过望远镜又发现了更多。赫歇尔氏家族的几位天文学家（包括约翰·赫歇尔、威廉·赫歇尔、卡罗琳·赫歇尔）为很多星云的发现、记录、编排做出了努力。

有一些星云有特别的名字，比如猎户座大星云、北美洲星云、三叶星云（Trifid Nebula）。以前比较亮的星云通常使用梅西耶（由于发现了众多彗星而闻名）制订的103星云表的编号来命名。使用小型望远镜观测天空的人很容易把它们误认为彗星，例如仙女座的M31星云。不过，现在星云大多用德维尔（Dreyer）新表（New General Catalogue）进行编号。这个星表分为两部分，包括13 000个星团、星云。仙女座大星云表示为NGC223（新表223号）。

早期天文学家对于星云到底是什么看法各异。康德（Kant）推测它们应该是很远的星系，即所谓的岛宇宙，就结果来看不算错。威廉·赫歇尔认为它们和恒星不完全相同，可能是发光的流体。拉普拉斯有一个关于星云的著名假说，即太阳系是由气态星云凝聚成的。不过，大型望远镜使得星云是气态的这一观点难以站住脚，越来越多的星云被观测出是由恒星组成的。19世纪中叶，罗斯爵士使用了当时最大的（之后很多年也是最大的）口径6英寸的望远镜，清楚地把云雾似的星云呈现为群聚的星星。

但并非所有的星云都是聚合的恒星。把分光仪应用到天文学领域的先行者、来自英国的哈金斯（william Huggins）证实了赫歇尔的推测，有些星云确实是发光流体。1864年，哈金斯利用分光仪观察天龙座星云，发现了一种明线纹路，这种光谱属于发光气体。至此才明了，有一部分星云确实是气体的。还有一部分星云拥有类似恒星光谱的纹路，却难以证明是恒星团。总之，星云里还有一些未解之谜。

人们已经能明显地区分银河系里的星团和星云。另外，新发现表明一些曾被误认为星云的天体其实是银河系外的星系。严格来说，银河系内和河外星系内的星云可分为两大类：明亮或暗淡的弥漫星云、行星状星云。

明亮弥漫星云

猎户座大星云是非常有名的明亮弥漫星云。用肉眼看，它是组成猎户猎刀的3颗星的中间那颗，位于腰带上比较亮的3颗星的南侧。通过望远镜来看，它是大致呈三角形的散发着微光的物体。看起来，这块星云大概是满月的2倍大，事实上却是10光年之广的大星云。使用大视场透镜长时曝光拍下的照片显示，整个猎户座的大部分都笼罩在一层更暗的星云里。

明亮弥漫星云的另一个突出例子是人马座的三叶星云。粗看起来，可能会以为它分成了三片或更多片，因为它上面有很宽的黑色裂纹。实际上，那是暗星云，它们经常和发光的物质一起出现。昴星团最亮的那几颗星都被星云包裹着，因此，它们的照片更加有趣，不过通过望远镜直接看一般只能看到一些星。通常来说，照片呈现的惊人的星云，即使用最大的望远镜也难以被肉眼完美捕捉。

北美洲星云就是一个例子。它看起来像北美洲，于是来自海德堡的沃尔夫便这样给它命名。它位于天鹅座十字顶上明亮的星附近，在照片中它很耀眼。这个星座里还有一团卵形的环状星云在膨胀，这引发了一种猜测：恒星爆炸导致了这种情况。果真如此的话，如果它的膨胀率没有发生过改变，那么这个新星的剧烈的爆炸是10万年前发生的。这个环里最明亮的部分分别叫网状星云和丝状星云，它们的结构和名字相符。

上面介绍的都是典型的明亮弥漫星云，通过望远镜尤其是摄影发现了很多这种星云。它们多位于银河里和银河附近，外银河系也有。其实，目前已知的最大的这种星云——大麦哲伦云就在银河外。被叫作剑鱼座30号（30 Doradus）的星云直径超过100光年。

弥漫星云是气体和微尘汇集的非常大的云，它们的很多特点都让我们联想到彗星的尾巴。星云里的物质非常稀薄，甚至比实验室制造的真空环境的密度还小，因为它们云层非常厚，我们才能看到。如果我们就住在北美洲星云里，我们日常根本感觉不到它存在。

星云的光

星云为什么能发光？首先可以肯定，如此稀薄的物质绝对不能热得发光。这个问题困扰了天文学家很多年，后来哈勃（Hubble）找到了答案。他在威尔逊山通过大反射望远镜对星云做了很多研究，认为星云的光源自附近的恒星。基本上每种星云的光都和附近的或星云中的恒星有关，并且，相关的恒星亮度越大，星云发光的范围也越大。但是，不能说星云的光就是简单地反射星光，有一部分星云不是这样的。

借助分光仪，我们发现星云的光和相关的恒星存在有趣的关系。除了最热的星，其他星的光和附近的星云的光是相似的，它们具有相同的暗线光谱和相同的暗线纹路。昴星团周围的星云便是如此。但是，猎户座大星云和其他邻近的最热的星的星云发出的光不具有这个特征，它们的光谱呈现为明线纹路，与恒星光谱差别很大。这些发现意味着什么？(https://www.daowen.com)

对于前一种星云，天文学家看法不一，有人认为那些星云就是在简单地反映星光。可是，具有明线光谱的星云发出的光肯定不是星光，不过有关的恒星依然是光的源头。这不由得令人想起极光，极光也不是反射的阳光。彗星的光也存在这类情况。我们认为猎户座星云及同类星云发出的光与极光相似，发光是由于附近很热的星的影响。

星云光谱上的明线困扰了天文学家很多年。这些线有一部分来自熟悉的氢、氦元素，这没什么可怀疑的，也不神秘，但是还有一部分线从没在实验室里见到过。莫非星云里具有地球上没有的元素？于是，人们暂时称这种元素为（nebulium）——就像以前因太阳而把一种新元素命名为氦一样，氦先从太阳光谱里被发现，后来证实地球上也有。但是，不是真的存在的元素。星云光谱上特殊的明线源自处于特别环境下的常见的氧、氮元素，这种特别的环境实验室还没法模拟。这个特别的明线的谜团到此就解开了。

行星状星云

行星状星云和行星没什么共同点，之所以叫这个名字是因为通过望远镜观测时它们显示为椭圆的平面。行星状星云是扁球形的物质，比行星大多了，甚至比整个太阳系都大。自转导致它们变扁，分光仪可以证实这一点。但是，也有一些看上去是正圆形的，显然，这是因为它们的自转轴基本上正对着地球。它们的自转周期长达成千上万年。

目前已经知道1000多个行星状星云。它们的实际大小应该差不多，但是距离的不同让它们看起来有大有小。距离我们最近的应该是宝瓶座螺旋星云NGC7293，看上去大概有满月的1/3多一点。最远的那些在望远镜里很难和恒星区分开，不过分光仪能认出它们。

行星状星云的明暗情况各有特点。大熊座的枭星云离我们最近，所以用望远镜看来也最大，它之所以叫这个名字是因为有两块像枭的眼睛似的黑斑。哑铃星云位于狐狸座，椭圆形长轴的两端是暗的（这种情况比较常见），看起来很像哑铃。有一个行星状星云像带有光环的土星，不过光环的边对着我们。有些行星状星云有同心环，还有一些有厚环，圆面的中间被遮挡而发暗。

使用中等望远镜能观测到的最美丽的星云是天琴座的环状星云。它位于天琴座南部的食变星β和其邻居γ之间，用肉眼或小型望远镜是看不到的。使用更大的望远镜观测，它像一块扁扁的发光的小饼。通过照片观察，这个星云的环结构复杂，环中间有一颗星。这颗蓝色的星是行星状星云共有的特征，几乎没有例外，很显然，它就是星云的光源。

我们现在还不了解行星状星云和其他天体存在什么关系。我们大概可以假设它们和新星有一些相似的地方，新星和行星状星云都明显地往银河地区集中。新星发展到最后阶段几乎和行星状星云中间的星一样，一些新星周围也包裹着气体。1918年观测到天鹰座出现新星爆发，这颗新星就包裹着云状的物质，这些物质以每天5 000英里的速率膨胀。

暗星云

我们知道，星云的光来自附近的恒星。要是没有那样的星，星云就不会发光，得等到它们遮挡更亮的物质，才能被我们注意到。暗星云主要集中在银河，这一点和银河系其他明亮星云一样。这个情况对观测很有利，有了那条明亮的光带，就能很容易地发现暗星云。

银河里最明显的留白是那条黑暗的裂隙，大约从北十字延伸到南十字，把天上银河的1/3分割成两条平行的支流。北十字北侧有一条很容易发现的横向裂纹。南十字旁边有一个和它差不多大的黑斑，黑斑里只能看到少量星星。很久以前，古代水手把这些明亮星云上的黑块称作煤袋。

到20世纪30年代时，人们还普遍认为银河里黑暗的地方是空隙，认为通过它们看到了遥远的黑暗空间。但是这种观点并不能令人满意。假设星云非常厚，这些空隙简直就是地道。那么，地道为什么会对着地球？这个问题很难回答。此外，它们四周的星群都在运动，为什么它们一直不动呢？来自叶凯士天文台的巴纳德较早提出一个观点，即这些暗处是黑暗的尘云。

仔细查看那些很容易就能找到的美丽的银河照片，就能意识到暗云数量多么多、形状多么复杂。这条闪光的河流到处都是吸引人的谜团。蛇夫座那片区域很特殊，存在一些独特的形状。大部分暗云都在银河系里，距离地球几千光年。也有一些在河外星系，后面会提到。

和亮星云一样，暗星云也是气体和尘埃组成的云，其中可能有大块的固体。彗星和流星群具有相仿的构造。确实有人提出过这样的观点：围绕太阳运行的彗星和流星是几百万年前太阳系路过某块暗云时带出来的。

星云假说

过去人们把宇宙演化的理论看得很重要，那时大家认为星云是宇宙的原始的材料。但是没有人能解释星云从哪里来。星云是原始的混沌，有秩序的恒星、行星都从这里诞生。200多年前，哲学家康德率先提出一种星云假说。他把星云当作第一阶段，认为星云是不能从其他物体转化而来的最原始的形态。康德认为，演化是由简到繁的过程，这个观点影响了后来的很多学说。拉普拉斯专门研究了太阳系的发展，他的星云假说阐释了宇宙演化，是最有名的相关假说。

到了20世纪，人们还基本认为恒星是由明亮弥漫星云（如猎户座大星云）凝聚形成的，而且普遍认为星的不同颜色代表不同的年纪。年幼的星温度最高，所以是蓝色的。它们慢慢变老、收缩就变成太阳这样的黄色星。到了老年温度更低，就成了红色的。它们慢慢变红变暗，最后失去光芒。这个经典的假设并不完美。我们感到疑惑：为什么温度最高的星是温度很低的星云的下一阶段？但是蓝色星和明亮弥漫星云联系密切，似乎能够证明它们都年轻，例如昴星团里的蓝色星就被星云包裹着。不过，如今我们知道了星云和星的联系意味着什么，星云的光来自附近高温的恒星。

过去关于恒星演化的学说阐述了一条单一的路线：稀薄的星云最终成为又密又暗的星。1913年，罗素提出蓝星变成红星有两种路线：一种包括比太阳更大更亮的巨星和超巨星，这里红色星指的是那些最大最稀疏的；另一种包括比较小的主序星（例如太阳），这里红色星越红就越小越紧实。为了阐述这种新观点，出现了新的恒星演化学说，并一度流行。新学说认为恒星是暗星云凝聚成的，一开始是很大的红星，温度低、表面不亮，但是由于体积太大反而成为看上去很亮的星。随着时间流逝，这种星逐渐变小。有一段时间它们收缩产生的热量比散发出去的热量多，于是它们越来越热，从红色变成黄色，又变成蓝色。接着收缩变慢了，产生的热量小于损失的热量，星的温度降低，从蓝色变成黄色，又变成红色，直到不再发光。

以上介绍的学说都以星云作为开始，以暗星作为结束，并且两种学说的重点都是收缩。看这些学说时，我们要考虑将来某个时期是否星云和星都会消失。但是我们也该意识到，这个学说很复杂很难，探讨的是前沿问题。宇宙的演变很缓慢，追踪起来非常难，我们缺乏证明恒星在收缩的证据。

接下来，让我们把眼光从宇宙的过去和未来转到当下。恒星和星云汇集成广大的银河系，这是需要我们探索的对象。