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2017-10-21

[天文地理]宇宙星云及其各种颜色是怎样形成的?

  [天文地理]宇宙星云及其各种颜色是怎样形成的?



 

  在本期天文视频中,我们将会欣赏绝大多数已知种类的星云,欣赏天文学最能倾倒世人的梦幻画面,它们当中既有恒星的摇篮,也有天体的遗骸,它们比恒星更加古老,更加久远,是群星的归宿。


  当你仰望苍穹的时候,可曾想过这些仿佛亘古既有的星辰来自何方、终于何处?星云,在我们已知的宇宙里,所有的星辰都来自它,也大多终于它。


  早在古典时代,夜空被灯光遮蔽之前,人类就观察到了这些飘渺的存在,但是直到最近一个多世纪,我们才大致明白星云是什么:是弥漫在星际之间的气体和尘埃,氢和氦是它们最主要的成分。


  传统上,星云按照形态区分成弥漫星云、行星状星云和超新星遗迹这几类。


  其中,弥漫星云笼统地包含了那些没有明显边界的星云,例如猎户座的火焰星云(NGC 2024),直径6光年左右;天蝎座的猫爪星云(NGC 6334),直径40光年左右,人马座的礁湖星云(NGC 6523),直径140光年左右,不胜枚举。


  它们如烟如雾,在天文摄影不同的滤镜和着色下展现出梦幻且神秘的色彩。


  行星状星云要明确得多,它们是中等质量恒星演化至老年,在红巨星阶段向外膨胀出的壳状大气,直径数光年,并且受到内部残骸的激发而发出明亮鲜艳的光。


  由于相似的演化历程,它们的结构往往很类似,内部通透,外层明亮,中心对称,犹如一颗行星,但最终会瓦解成弥漫星云,将恒星未利用的和新制造的元素还给星际。


  特别的,在红巨星演化成行星状星云之前,还会经历一个喷发阶段,被糟糕地称作“原行星云”。由于大量物质从恒星两极释放出来,常常呈现出独特的X形。


  超新星遗迹是行星状星云的增强版,当一个大质量恒星在演化晚期以超新星形式爆发的时候,留下的残骸就是超新星遗迹,比如节目中多次露面的“蟹状星云”——它们常有斑斓的湍流结构,核心的中子星会成为强劲的辐射源,比如仙后座A是银河系内最年轻的超新星遗迹,距离地球1.1万光年之远,却是天空中除太阳以外最强的射电源。


  但是除了大质量的恒星,白矮星也可能吞噬伴星然后爆发成超新星,这样的超新星遗迹大多呈现出明显的壳层状,外层来自白矮星形成时的爆发,内层来自超新星的爆发,没有致密的辐射核心,第谷超新星(SN 1572)是最典型的案例——但无论哪种超新星遗迹,最后都会流散成弥漫星云,将大量金属元素播撒在宇宙中。


  同时,一些超大质量恒星在超新星爆发之前会进入一个极度明亮并大量抛射物质的阶段,这些喷出的物质会笼罩在恒星周围,并逐渐被恒星吹大,形成一个气泡状的星云,称为沃尔夫–拉叶星云。


  我们已经认识了这样多的星云,但糟糕的是,星云在不同的领域有不同的分类方式,比如在天文爱好者的观测中,星云更常按照发光方式分为发射星云、反射星云和暗星云。


  其中发射星云是因为高温或者激发而发出可见光的星云,可能是传统分类中的任何一种星云;反射星云和暗星云都是不能发出可见光的星云,区别就在于前者因为反射了周围的星光而被我们看到,后者则是遮挡了星光才被我们看到。


  它们大多是温度较低的弥漫星云,总是相伴出现,并与发射星云混合起来,构成一些恢弘的场面,除了猎户座大星云与附近的马头星云,船底座大星云中的上帝手指也是著名的例子。


  然而在天体物理中,我们用气体的温度、密度、电离程度等区分它们,最常见的称谓比如分子云、中性氢区即H I区、电离氢区即H II区,涵盖了更大尺度的结构,比如整个猎户座都被猎户座分子云覆盖,它涵盖数百光年的空间,有几十万个太阳那么重,占据了夜空4%以上——猎户座大星云只是猎户座分子云在猎户两腿之间的一小部分。


  这样巨大的结构会在引力下收缩加热,或者被恒星加热,氢分子解体成氢原子,就是中性氢区,我们常在星系合并时的潮汐结构中观察到它们。


  而在更高的温度下,氢原子变成氢离子,就是电离氢区,所有的发射星云都可能是电离氢区,它们是恒星的摇篮,又在创生之柱这样的阴暗结构中爆发出新的生命——但那就是另一个磅礴的故事了。


  结语:


  天文地理学是距离生活最遥远的基础科学,这种遥远甚至可以测量出来——距离我们最近的天体是月球,38.5万公里。


  但是即便在光都要耗费成千上万年才能抵达的遥远地方,仍然充满了让我们神往的存在,星辰,人类永远地仰望着它们,我们想知道这些仿佛永恒的事物从何而来,终结于何处。

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