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,就好像行星繞著太陽似的而得名,也有因其形狀像一個光環(huán),所以又稱為環(huán)狀星云。
50億年后,在太陽演化的末期,太陽將會失去外層氣體物質,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發(fā)出多彩的光線。隨著氣體物質的逐漸遠離,就會變得越來越暗淡,當太陽熄火后就會形成這樣的環(huán)狀星云。1
成因其成因系由超新星爆炸所致,當一顆質量在太陽的1.4~2倍的恒星發(fā)生爆炸時,其外部物質被拋向太空,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照亮而無人看到,即為環(huán)狀星云,這和氣狀星云、系外星云的性質完全不同,此類星云在數(shù)量上遠比他類星云星團為少。
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)時膨脹的速度測定,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,所以較難辨認出來;需要借助放大100倍以上的倍率才能把橢圓環(huán)顯現(xiàn),在大口徑望遠鏡中和十分好的大氣條件下,可在星云背景中看見幾顆非常暗淡的前景星或背景星;用分階段曝光手法,更能拍到其物質暈,首先以電腦合成的照片是日本的“昴”望遠鏡(Subaru)(1999年),然而天文愛好者亦能通過數(shù)碼感光器材與濾鏡合成以中等口徑(四吋至六吋)望遠鏡拍到這十分暗弱的外環(huán)。
發(fā)現(xiàn)過程環(huán)狀星云的發(fā)現(xiàn)者是英國著名天文學家弗里德里?!ねず招獱?Friedrich Wilhelm Herschel)。當時,赫歇爾還是英國皇家樂隊的一名鋼琴師,但他酷愛天文學,經常用望遠鏡觀測星空。1779年夏季的一天晚上,當赫歇爾把望遠鏡對準天琴座的時候,在密密麻麻的恒星當中,發(fā)現(xiàn)了一個略帶淡綠色、邊緣較清晰的呈小圓面的天體。他模模糊糊地看出它應該是一個星云。但這是一種什么類型的星云呢?赫歇爾也不知道。由于他的望遠鏡分辨率太差了,他看不清楚星云的細節(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。事實上,行星狀星云與行星毫無關聯(lián),然而這個不恰當?shù)拿Q卻被人們一直沿用下來。與赫歇爾同時代的法國天文學家安東尼·達爾奎耶與赫歇爾同時也發(fā)現(xiàn)了這個天體,他是在觀測1779年出現(xiàn)的彗星時看到它的。法國天文學家梅西葉把這個天體收入自己編制的星表中,排在第57位,簡稱M57。
隨著觀測能力的不斷提高,人們后來又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了不少行星狀星云,截至2005年,觀測的總數(shù)為1000多個。天文學家估計在我們的銀河系中大概一共有四五萬個行星狀星云,只是由于它們都隱藏在太空深處,實在是太小太暗了,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間。夏夜的星空豐富多彩,最重要的特點是,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。織女星在銀河的西岸,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,而且用小型望遠鏡就能觀測到,因此它成為廣大天文愛好者最喜愛觀測和拍攝的對象之一。在小型望遠鏡中,它是什么樣子呢?當年赫歇爾描述它是“一個有洞穴的星云或者是星環(huán)”,“星云中心有一個對稱的同心的黑斑。星云可能是由恒星組成的星環(huán),呈橢圓形,短軸與長軸之比約為83:100。”
在現(xiàn)代大型天文望遠鏡里,M57是一個非常美麗動人的橢圓形光環(huán)。光環(huán)的內邊緣為淡綠色,外邊緣為紅色,兩邊緣之間的中間部分是淡淡的黃色,宛如一個精工細作的工藝品戒圈。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十幾萬度的高熱星。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)的內邊緣距中心星較近,紫外輻射較強,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,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。
天文學家還發(fā)現(xiàn),環(huán)狀星云事實上是一個球狀星云,由于我們是從遙遠的地方去看這個球狀的氣體殼層,顯然,我們看到的星云外圍部分的物質要比中心部分的厚得多。因此,我們就將這個球狀氣體星云看成了環(huán)狀星云。2
天文研究根據(jù)美國宇航局的哈勃太空望遠鏡拍攝的照片,環(huán)狀星云的外形并不像百吉餅,而是像果醬甜甜圈,因為星云的中央充斥著大量物質。星云是由塵土、氫氣、氦氣以及其他氣體構成的一個星際云。
研究小組領導人、美國范德比爾特大學(位于田納西州的納什維爾)的羅伯特-奧德爾表示:“這個星云的外形并不像百吉餅,而是像果醬甜甜圈,因為中央充斥著大量物質?!眾W德爾和他的研究小組利用哈勃太空望遠鏡以及一些地面望遠鏡獲取這個標志性星云的更清晰圖像。照片顯示環(huán)狀星云是一個更為復雜的結構,超過天文學家此前的想法。借助于新觀測數(shù)據(jù),他們繪制了迄今最為準確的環(huán)狀星云3D模型。
奧德爾表示:“借助于哈勃望遠鏡提供的細節(jié),我們發(fā)現(xiàn)了這個經典星云與此前認為的完全不同的形狀。哈勃望遠鏡獲取的新觀測數(shù)據(jù)提供了有關這個星云的更多細節(jié),我們也因此得知這個星云并不像我們此前認為的那么簡單。”
環(huán)狀星云距地球大約2000光年,寬度大約1光年。這個星云坐落于天琴座,是天文學家的一個寵兒。此前借助望遠鏡進行的觀測就已經發(fā)現(xiàn)環(huán)狀星云中央區(qū)域存在大量物質。這一次,哈勃望遠鏡的寬視場照相機3號提供了較過去觀測更為豐富的細節(jié),讓科學家進一步了解這個星云。
奧德爾的研究小組認為這個環(huán)環(huán)繞一個藍色足球形結構。這個結構的每一端都突入到環(huán)的對邊。環(huán)狀星云斜對地球,因此,天文學家能夠看到它的“正臉”。在哈勃望遠鏡拍攝的照片中,藍色結構是發(fā)光的氦氣。環(huán)中央的白點是白矮星產生的輻射,導致氦氣發(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。
哈勃望遠鏡所拍照片的細節(jié)讓奧德爾的研究小組感到吃驚。照片顯示環(huán)內緣一帶分布著暗淡的不規(guī)則密集氣體結,好似自行車輪的輪輻。這些氣體須在膨脹的炙熱氣體進入白矮星釋放的冷卻氣體時形成,受到白矮星紫外光輻射侵蝕的可能性不大。
哈勃望遠鏡拍攝的照片允許研究人員將氣體結與明亮主環(huán)周圍的光柱進行比較。在其他行星狀星云內,天文學家也曾發(fā)現(xiàn)類似的密集氣體結。對環(huán)狀星云的命運進行研究有助于了解太陽在未來60億年的演化。奧德爾說:“在變成一顆白矮星時,太陽也會剝離外層的氣體層,溫度逐漸升高。一旦溫度達到足以照亮氣體的程度,物質會進一步遠離太陽。距離更遠意味著太陽的星云更為暗淡?!?/p>
環(huán)狀星云(也被稱之為“Messier 57”)圖像,展示了生動的外形和色彩。從地球的角度觀察,這個星云呈簡單的橢圓外形,邊緣較為粗糙。根據(jù)哈勃太空望遠鏡以及一些地面望遠鏡進行的新觀測,環(huán)狀星云的外形好似一個扭曲的甜甜圈
環(huán)狀星云的合成圖像,結合了哈勃望遠鏡寬視場照相機3號以及美國亞利桑那州的大雙筒望遠鏡獲取的新觀測數(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比。大雙筒望遠鏡是格雷厄姆山國際天文臺的一部分
這幅圖像展示了環(huán)狀星云的側向幾何外形和結構,星云的寬大暈輪和內部區(qū)域,低密度物質團向外伸出,遠離地球,中央的白點是白矮星產生的輻射,導致氦氣發(fā)光
數(shù)字巡天項目獲取的一幅圖像,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18h51m.7;赤緯+32°58'(1950年分點);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,尋找時需用4~5cm 40倍以上之尋星鏡,方能約略的呈現(xiàn)圓面來,5cm 7倍雙筒鏡雖亦能見,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,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)的長軸兩端略暗的區(qū)別來。如用20cm鏡尚可看到環(huán)內13等的中心星來,另外還有一顆15.5等的暗星則需60cm以上的大望遠鏡了。
此星云現(xiàn)仍在以每秒19km的速度膨脹中,從分光觀測中發(fā)現(xiàn)此星云只有連續(xù)光譜,既無輝線也沒有暗線(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,看起來很小,光度也只有9.3等,但感光作用卻很強,用300mm以上的鏡頭,使用柯達Tri X底片,曝光3~5分鐘追蹤即可照出環(huán)狀來。
狐貍座位置:赤經19h57m.4;赤緯+22°35'(1950年分點);光度7.6等;視直徑8'×6';距離720光年。
位置在沒有亮星的狐貍座,尋找時可由天琴座的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號星,以此星為中心約1.°5的半徑上又有12、13、16、17號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號星之南約一個月亮直徑處,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方形,6cm 40倍鏡看來長方形的中間稍細,8cm 40倍即可分辨出不是長方形而是圓形,兩邊成弧狀向內凹進去,15cm鏡可見星云中濃淡不均,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,好像體育用的啞鈴,故稱之為「啞鈴狀星云」(dumb bell nebula)。
此星云實直徑約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85,000度(絕對溫度)。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,也是攝影的好對象,50mm的標準鏡頭用柯達Tri X曝光20秒,固定攝影即可照出能認出位置的照片來,200mm F4的鏡頭用追蹤法曝光10分鐘約可看出長方形,口徑10cm以上F5的望遠鏡直接焦點曝光10分鐘追蹤,即可照出啞鈴的形狀來,口徑愈大愈清楚。
在圖中尚有M56球狀星團及M29及M39兩個疏散星團,因篇幅所限不作介紹,僅標出位置以供尋找時的參考。
本詞條內容貢獻者為:
趙陽國 - 副教授 - 中國海洋大學