[科普中國(guó)]-環(huán)狀星云

環(huán)狀星云（Planetary nebulae），也被稱之為“Messier 57”，意為行星狀星云，因此類星云中心有顆高溫星，外圍環(huán)繞著一圈云狀物質(zhì)，就好像行星繞著太陽(yáng)似的而得名，也有因其形狀像一個(gè)光環(huán)，所以又稱為環(huán)狀星云。

50億年后，在太陽(yáng)演化的末期，太陽(yáng)將會(huì)失去外層氣體物質(zhì)，中心形成一顆熾熱的致密白矮星。白矮星發(fā)出的輻射能夠激發(fā)環(huán)繞在其周圍的氣體物質(zhì)發(fā)出多彩的光線。隨著氣體物質(zhì)的逐漸遠(yuǎn)離，就會(huì)變得越來(lái)越暗淡，當(dāng)太陽(yáng)熄火后就會(huì)形成這樣的環(huán)狀星云。1

成因其成因系由超新星爆炸所致，當(dāng)一顆質(zhì)量在太陽(yáng)的1.4～2倍的恒星發(fā)生爆炸時(shí)，其外部物質(zhì)被拋向太空，形成圓形的星云，而星球的核心部份則被壓縮成密度極大、溫度極高的中子星，把拋出到周圍的物質(zhì)照亮而無(wú)人看到，即為環(huán)狀星云，這和氣狀星云、系外星云的性質(zhì)完全不同，此類星云在數(shù)量上遠(yuǎn)比他類星云星團(tuán)為少。

特征描述主環(huán)大小約一光年，視星等8.8等（照相星等9.7等），距地球約2000光年。因形象美麗的圓環(huán)，故又被稱為“戒指星云”。以現(xiàn)時(shí)膨脹的速度測(cè)定，M57是在6000年至8000年前的一次恒星（中心星）爆發(fā)而形成的。

M57由于較小，所以較難辨認(rèn)出來(lái)；需要借助放大100倍以上的倍率才能把橢圓環(huán)顯現(xiàn)，在大口徑望遠(yuǎn)鏡中和十分好的大氣條件下，可在星云背景中看見(jiàn)幾顆非常暗淡的前景星或背景星；用分階段曝光手法，更能拍到其物質(zhì)暈，首先以電腦合成的照片是日本的“昴”望遠(yuǎn)鏡（Subaru）（1999年），然而天文愛(ài)好者亦能通過(guò)數(shù)碼感光器材與濾鏡合成以中等口徑（四吋至六吋）望遠(yuǎn)鏡拍到這十分暗弱的外環(huán)。

發(fā)現(xiàn)過(guò)程環(huán)狀星云的發(fā)現(xiàn)者是英國(guó)著名天文學(xué)家弗里德里?！ねず招獱?Friedrich Wilhelm Herschel）。當(dāng)時(shí)，赫歇爾還是英國(guó)皇家樂(lè)隊(duì)的一名鋼琴師，但他酷愛(ài)天文學(xué)，經(jīng)常用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)星空。1779年夏季的一天晚上，當(dāng)赫歇爾把望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)天琴座的時(shí)候，在密密麻麻的恒星當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)略帶淡綠色、邊緣較清晰的呈小圓面的天體。他模模糊糊地看出它應(yīng)該是一個(gè)星云。但這是一種什么類型的星云呢？赫歇爾也不知道。由于他的望遠(yuǎn)鏡分辨率太差了，他看不清楚星云的細(xì)節(jié)，只是看它的模樣與大行星很相像，于是赫歇爾就把這類星云命名為行星狀星云。事實(shí)上，行星狀星云與行星毫無(wú)關(guān)聯(lián)，然而這個(gè)不恰當(dāng)?shù)拿Q卻被人們一直沿用下來(lái)。與赫歇爾同時(shí)代的法國(guó)天文學(xué)家安東尼·達(dá)爾奎耶與赫歇爾同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了這個(gè)天體，他是在觀測(cè)1779年出現(xiàn)的彗星時(shí)看到它的。法國(guó)天文學(xué)家梅西葉把這個(gè)天體收入自己編制的星表中，排在第57位，簡(jiǎn)稱M57。

隨著觀測(cè)能力的不斷提高，人們后來(lái)又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了不少行星狀星云，截至2005年，觀測(cè)的總數(shù)為1000多個(gè)。天文學(xué)家估計(jì)在我們的銀河系中大概一共有四五萬(wàn)個(gè)行星狀星云，只是由于它們都隱藏在太空深處，實(shí)在是太小太暗了，以致我們目前還不能發(fā)現(xiàn)它們。2

尋找方法

要看環(huán)狀星云的話，先要找到它。環(huán)狀星云位于天琴座。夏天的夜晚是觀察天琴座的最佳時(shí)間。夏夜的星空豐富多彩，最重要的特點(diǎn)是，一條發(fā)出淡淡白光的銀河橫跨天空，面積不大的天琴座就位于銀河的近旁。

織女星是天琴座α星，它在全天21顆最亮恒星表中排名第5?？椗桥c另外兩顆亮星，一個(gè)是在全天21顆最亮恒星表中名列第12的天鷹座的牛郎星，另一個(gè)是名列第20的天鵝座的天津四，三顆亮星組成了著名的夏季大三角?？椗窃阢y河的西岸，牛郎星在銀河的東岸，兩星隔著銀河遙遙相望，而天津四則在朦朦朧朧的銀河當(dāng)中熠熠發(fā)光。

夏季大三角在夏夜星空中特別醒目，我們通過(guò)夏季大三角很容易就能找到織女星和天琴座。環(huán)狀星云M57就隱藏在明亮的織女星東南方大約7度遠(yuǎn)的地方。

環(huán)狀星云的視直徑僅1′多，視星等為9.3等，距離我們1410光年。環(huán)狀星云美麗異常，而且用小型望遠(yuǎn)鏡就能觀測(cè)到，因此它成為廣大天文愛(ài)好者最喜愛(ài)觀測(cè)和拍攝的對(duì)象之一。在小型望遠(yuǎn)鏡中，它是什么樣子呢？當(dāng)年赫歇爾描述它是“一個(gè)有洞穴的星云或者是星環(huán)”，“星云中心有一個(gè)對(duì)稱的同心的黑斑。星云可能是由恒星組成的星環(huán)，呈橢圓形，短軸與長(zhǎng)軸之比約為83:100?！?/p>

在現(xiàn)代大型天文望遠(yuǎn)鏡里，M57是一個(gè)非常美麗動(dòng)人的橢圓形光環(huán)。光環(huán)的內(nèi)邊緣為淡綠色，外邊緣為紅色，兩邊緣之間的中間部分是淡淡的黃色，宛如一個(gè)精工細(xì)作的工藝品戒圈。因此也有人稱它為指環(huán)圈星云。環(huán)的中心有一顆目視星等為14等的白矮星，它就是環(huán)狀星云的中心星，是一顆表面溫度高達(dá)十幾萬(wàn)度的高熱星。在中心星的輻射下，環(huán)繞在中心星周圍的星云物質(zhì)中的氣體原子受到激發(fā)而發(fā)光，不同的氣體原子發(fā)出不同顏色的光。環(huán)的內(nèi)邊緣距中心星較近，紫外輻射較強(qiáng)，星云氣體中的氧和氮原子受激發(fā)出綠色的光；環(huán)的外邊緣距中心星較遠(yuǎn)，紫外輻射弱一些，星云氣體中的氫原子受激發(fā)出紅色的光。

天文學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，環(huán)狀星云事實(shí)上是一個(gè)球狀星云，由于我們是從遙遠(yuǎn)的地方去看這個(gè)球狀的氣體殼層，顯然，我們看到的星云外圍部分的物質(zhì)要比中心部分的厚得多。因此，我們就將這個(gè)球狀氣體星云看成了環(huán)狀星云。2

天文研究根據(jù)美國(guó)宇航局的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的照片，環(huán)狀星云的外形并不像百吉餅，而是像果醬甜甜圈，因?yàn)樾窃频闹醒氤涑庵罅课镔|(zhì)。星云是由塵土、氫氣、氦氣以及其他氣體構(gòu)成的一個(gè)星際云。

研究小組領(lǐng)導(dǎo)人、美國(guó)范德比爾特大學(xué)(位于田納西州的納什維爾)的羅伯特-奧德?tīng)柋硎荆骸斑@個(gè)星云的外形并不像百吉餅，而是像果醬甜甜圈，因?yàn)橹醒氤涑庵罅课镔|(zhì)?！眾W德?tīng)柡退难芯啃〗M利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡以及一些地面望遠(yuǎn)鏡獲取這個(gè)標(biāo)志性星云的更清晰圖像。照片顯示環(huán)狀星云是一個(gè)更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，超過(guò)天文學(xué)家此前的想法。借助于新觀測(cè)數(shù)據(jù)，他們繪制了迄今最為準(zhǔn)確的環(huán)狀星云3D模型。

奧德?tīng)柋硎荆骸敖柚诠h(yuǎn)鏡提供的細(xì)節(jié)，我們發(fā)現(xiàn)了這個(gè)經(jīng)典星云與此前認(rèn)為的完全不同的形狀。哈勃望遠(yuǎn)鏡獲取的新觀測(cè)數(shù)據(jù)提供了有關(guān)這個(gè)星云的更多細(xì)節(jié)，我們也因此得知這個(gè)星云并不像我們此前認(rèn)為的那么簡(jiǎn)單。”

環(huán)狀星云距地球大約2000光年，寬度大約1光年。這個(gè)星云坐落于天琴座，是天文學(xué)家的一個(gè)寵兒。此前借助望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的觀測(cè)就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)環(huán)狀星云中央?yún)^(qū)域存在大量物質(zhì)。這一次，哈勃望遠(yuǎn)鏡的寬視場(chǎng)照相機(jī)3號(hào)提供了較過(guò)去觀測(cè)更為豐富的細(xì)節(jié)，讓科學(xué)家進(jìn)一步了解這個(gè)星云。

奧德?tīng)柕难芯啃〗M認(rèn)為這個(gè)環(huán)環(huán)繞一個(gè)藍(lán)色足球形結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)的每一端都突入到環(huán)的對(duì)邊。環(huán)狀星云斜對(duì)地球，因此，天文學(xué)家能夠看到它的“正臉”。在哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的照片中，藍(lán)色結(jié)構(gòu)是發(fā)光的氦氣。環(huán)中央的白點(diǎn)是白矮星產(chǎn)生的輻射，導(dǎo)致氦氣發(fā)光。這顆白矮星是一顆類日恒星的殘余，耗盡了氫氣燃料并且剝離了外層的氣體層。

哈勃望遠(yuǎn)鏡所拍照片的細(xì)節(jié)讓奧德?tīng)柕难芯啃〗M感到吃驚。照片顯示環(huán)內(nèi)緣一帶分布著暗淡的不規(guī)則密集氣體結(jié)，好似自行車輪的輪輻。這些氣體須在膨脹的炙熱氣體進(jìn)入白矮星釋放的冷卻氣體時(shí)形成，受到白矮星紫外光輻射侵蝕的可能性不大。

哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的照片允許研究人員將氣體結(jié)與明亮主環(huán)周圍的光柱進(jìn)行比較。在其他行星狀星云內(nèi)，天文學(xué)家也曾發(fā)現(xiàn)類似的密集氣體結(jié)。對(duì)環(huán)狀星云的命運(yùn)進(jìn)行研究有助于了解太陽(yáng)在未來(lái)60億年的演化。奧德?tīng)栒f(shuō)：“在變成一顆白矮星時(shí)，太陽(yáng)也會(huì)剝離外層的氣體層，溫度逐漸升高。一旦溫度達(dá)到足以照亮氣體的程度，物質(zhì)會(huì)進(jìn)一步遠(yuǎn)離太陽(yáng)。距離更遠(yuǎn)意味著太陽(yáng)的星云更為暗淡?！?/p>

環(huán)狀星云(也被稱之為“Messier 57”)圖像，展示了生動(dòng)的外形和色彩。從地球的角度觀察，這個(gè)星云呈簡(jiǎn)單的橢圓外形，邊緣較為粗糙。根據(jù)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡以及一些地面望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的新觀測(cè)，環(huán)狀星云的外形好似一個(gè)扭曲的甜甜圈

環(huán)狀星云的合成圖像，結(jié)合了哈勃望遠(yuǎn)鏡寬視場(chǎng)照相機(jī)3號(hào)以及美國(guó)亞利桑那州的大雙筒望遠(yuǎn)鏡獲取的新觀測(cè)數(shù)據(jù)。在這幅圖像中，色彩絢爛的環(huán)狀星云與周圍的暗淡太空形成鮮明顏色對(duì)比。大雙筒望遠(yuǎn)鏡是格雷厄姆山國(guó)際天文臺(tái)的一部分

這幅圖像展示了環(huán)狀星云的側(cè)向幾何外形和結(jié)構(gòu)，星云的寬大暈輪和內(nèi)部區(qū)域，低密度物質(zhì)團(tuán)向外伸出，遠(yuǎn)離地球，中央的白點(diǎn)是白矮星產(chǎn)生的輻射，導(dǎo)致氦氣發(fā)光數(shù)字巡天項(xiàng)目獲取的一幅圖像，展示了環(huán)狀星云及其周圍太空。

其他環(huán)狀星云天琴座位置：赤經(jīng)18h51m.7；赤緯+32°58'（1950年分點(diǎn)）；光度9.3等；視直徑83"×59"；距離1800光年3。

位置在天琴座β與γ之間靠近β約2/5處，尋找時(shí)需用4～5cm 40倍以上之尋星鏡，方能約略的呈現(xiàn)圓面來(lái)，5cm 7倍雙筒鏡雖亦能見(jiàn)，但只是和恒星像差不多而不易分別。 6cm 40倍鏡則可看出圓面中隱約有小黑點(diǎn)，8cm 60～100倍則可看成圓環(huán)狀，15cm 100～150倍則更清楚，且可看出橢圓形環(huán)的長(zhǎng)軸兩端略暗的區(qū)別來(lái)。如用20cm鏡尚可看到環(huán)內(nèi)13等的中心星來(lái)，另外還有一顆15.5等的暗星則需60cm以上的大望遠(yuǎn)鏡了。

此星云現(xiàn)仍在以每秒19km的速度膨脹中，從分光觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)此星云只有連續(xù)光譜，既無(wú)輝線也沒(méi)有暗線（吸收線），似乎缺乏氫及氦的特殊天體。

雖然它的視直徑只有1'多一點(diǎn)，看起來(lái)很小，光度也只有9.3等，但感光作用卻很強(qiáng)，用300mm以上的鏡頭，使用柯達(dá)Tri X底片，曝光3～5分鐘追蹤即可照出環(huán)狀來(lái)。

狐貍座位置：赤經(jīng)19h57m.4；赤緯+22°35'（1950年分點(diǎn)）；光度7.6等；視直徑8'×6'；距離720光年。

位置在沒(méi)有亮星的狐貍座，尋找時(shí)可由天琴座的γ星與天鵝座頭部的β連線再延伸相等距離處，在它北邊25'有顆14號(hào)星，以此星為中心約1.°5的半徑上又有12、13、16、17號(hào)四顆五等星圍繞成半圓形，也可把這五顆星連接成M形，則M27就在中間的14號(hào)星之南約一個(gè)月亮直徑處，尋找并不很困難。

因M27為M天體的環(huán)狀星云中最亮最大者（約有月亮直徑的1/4），即或用5cm 7倍的雙筒鏡也可看出長(zhǎng)方形，6cm 40倍鏡看來(lái)長(zhǎng)方形的中間稍細(xì)，8cm 40倍即可分辨出不是長(zhǎng)方形而是圓形，兩邊成弧狀向內(nèi)凹進(jìn)去，15cm鏡可見(jiàn)星云中濃淡不均，20cm鏡則可看到13等的中心星了。

由于它的形狀兩頭大中間細(xì)，好像體育用的啞鈴，故稱之為「啞鈴狀星云」（dumb bell nebula）。

此星云實(shí)直徑約1～2光年，現(xiàn)仍以每年0".068的速度繼續(xù)膨脹中，依此速度倒推約在3～4000年前發(fā)生爆炸，其中心星光度雖只有13等，但其溫度卻高達(dá)85,000度（絕對(duì)溫度）。該星云現(xiàn)正以每秒41km的速度向我們接近中。

由于它的面積大且亮，也是攝影的好對(duì)象，50mm的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭用柯達(dá)Tri X曝光20秒，固定攝影即可照出能認(rèn)出位置的照片來(lái)，200mm F4的鏡頭用追蹤法曝光10分鐘約可看出長(zhǎng)方形，口徑10cm以上F5的望遠(yuǎn)鏡直接焦點(diǎn)曝光10分鐘追蹤，即可照出啞鈴的形狀來(lái)，口徑愈大愈清楚。

在圖中尚有M56球狀星團(tuán)及M29及M39兩個(gè)疏散星團(tuán)，因篇幅所限不作介紹，僅標(biāo)出位置以供尋找時(shí)的參考。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

趙陽(yáng)國(guó) - 副教授 - 中國(guó)海洋大學(xué)