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星云:见证恒星的生与死

2019-01-10 09:26来源:科技日报

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  锥状星云位于距离地球2500光年的麒麟星座,其庞大的尘埃柱内正在孕育新生的恒星。NASA

  天文词典

  功能强大的哈勃太空望远镜不但为天文学家们揭开宇宙万物的奥秘提供了观测数据,还产生了不少视觉效果令人窒息的太空美图,使广大公众能够透过这些图片领略太空中的壮美景象。在这些美图之中,“创生之柱”是其中最为人所知的一副。在照片中,鹰星云中的气体和尘埃形成了三个手指状的柱形结构,有如巍峨的高山一般耸立在太空之中。那么,星云到底是什么?它和恒星的生和死有什么关系?

  天空中的光斑

  星云是由星际空间的气体和尘埃结合成的云雾状天体。它的体积比恒星大,密度又非常稀薄。和呈现一个光点的恒星不同的是,星云是天空中的一团光斑。猎户座大星云等比较明显的星云,通过肉眼就可以辨认出来。随着望远镜在近代被投入使用,有越来越多的这类光斑被发现。

  限于观测水平,人们曾将星云与星系混淆。著名哲学家康德曾经用“岛宇宙”的概念对所谓的星云进行解释。随着更大口径的望远镜被逐步投入使用,人们发现有些光斑状的天体的确可以分解成一颗颗恒星,和康德预言的现象一致。但有些光斑状天体却无论如何也分解不开。天文学家赫歇尔由此推断,那些无法分解开的天体可能是由大团气体组成的,即星云。而那些能分解成一颗颗恒星的岛宇宙,实际上是遥远的星系。

  真正揭开星云本质的,是英国天文学家哈金斯。他发现,那些无法分解成恒星的光斑状天体的光谱中具有许多发射线,即只有某些波段的光信号较强,而其他大部分波段的光信号则都比较弱。这和恒星的光谱特征有着显著的不同。在恒星的光谱中,只有某些波段的信号较弱,而大部分波段的光信号都比较强,呈现出一些吸收线。无法分解成恒星的光斑状天体,其光谱特征与稀薄气体的光谱特征较为接近,因此星云实际上就是太空中的一团发光气体。

  新生恒星的温床

  按照人们目前对星云的认识,可以将其分为弥漫星云、行星状星云和超新星遗迹星云。弥漫星云的形状各异,质量在太阳质量的10倍到1000倍之间,占据的空间范围平均为几十光年。按照发光特性的不同,又可以将弥漫星云分为发射星云、反射星云和暗星云。这几种星云本身在物质组成和结构特征上并没有明显的差异,而其发光特征的不同来源于附近恒星的差异。

  在星云中,氢离子和电子总是试图结合成为中性的氢原子。如果星云内部或附近恰好存在一颗温度较高的恒星,那么恒星发出的强紫外辐射将会将中性的氢原子重新拆散成氢离子和电子。氢原子形成和拆散的过程最终会达到平衡,即一定时间里复合和拆散的氢原子数一样多。氢原子复合的过程会发出可见光,使发射星云发光。

  而反射星云附近的恒星温度较低,紫外波段的辐射不足以激发星云中的物质发光。反射星云发出的光来自于星云中的星际尘埃对附近恒星光线的散射。暗星云附近则没有明亮的恒星,气体本身不发光,尘埃也无法反光,在身后亮背景的衬托下,显示出黑暗的轮廓。

  弥散星云可以成为新恒星诞生的温床。质量很大的星云会在自身的引力作用下经历收缩、密集和升温的过程。当星云的质量很大时,密度足够大的星云区收缩的更快,导致星云瓦解成若干个中等星云。如此的过程在中等星云中重复后,中等星云将继续瓦解成一些更小的星云。这些小星云吸引着周围的气体和尘埃逐步聚集,自身温度也随之升高,最终形成了恒星的“胚胎”——原恒星。在“创生之柱”中,人们已经发现了若干个原恒星,表明恒星产生的过程正在鹰星云中生生不息地进行着。

  死亡恒星的遗迹

  虽然和恒星蓬勃诞生的弥散星云同属星云家族,但行星状星云是恒星演化到生命晚期所产生的遗骸。当恒星内部的核能衰竭之后,恒星内层物质在引力的作用下收缩成体积小、密度大、温度高的白矮星,而外壳则向外喷发,形成体积大、密度小的行星状星云。由于行星状星云看似具有行星的外形和颜色,因此被最早研究它的天文学赫歇尔冠以现在的名称。但实际上,行星状星云和真正的行星基本没有联系。行星状星云的寿命只有一万年左右。随着时间的推移,行星状星云还将继续膨胀,变得愈发稀薄,最后完全消失。

  超新星遗迹也是恒星死亡留下的残骸,但在物理特性上与普通的行星状星云有所不同。质量较大的恒星,在演化到晚年时,会以超新星爆发的方式结束自己的一生。超新星爆发遗迹星云,就来自于这个过程中喷发出的物质。著名的蟹状星云就是超新星的遗迹。产生这个星云的超新星爆发于1054年,当时看到的人很多,并被中国古代的天文学家记载下来。而爆发留下的物质与周围星际物质作用,形成由丝状气体云和气壳构成的蟹状星云。

  (作者李会超 系哈尔滨工业大学深圳校区博士后)

[责编:张佳兴]

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