宇宙如何运作:为什么恒星需要星云?

原标题:宇宙如何运作:为什么恒星需要星云?

星云是外太空中巨大的尘埃和气体云,是新恒星诞生的温床。而一些恒星在其生命周期完成后,会爆炸成超新星,将巨大的碎片和气体云抛入太空。当诸如气体和尘埃颗粒等星际物质在太空中聚集并由于重力形成团块时,会形成其他星云,从而形成密度越来越大的区域。

这些云层深处的湍流会产生被称为“结”的高密度区域。当结包含足够的质量时,气体和尘埃会因引力而坍塌。当结塌陷时,重力压力会导致中心的物质升温,从而形成一颗原恒星。当原恒星的核心变得足够热以点燃聚变时,一颗恒星就诞生了。

然而,并非坍缩云中的所有物质最终都成为恒星的一部分,剩余的尘埃也可以合并成行星或小行星等较小的物体。根据科学家的预测,坍缩的气体和尘埃通常会分解成两个或更多不同的斑点,这也是银河系中大多数恒星成对或成群的原因。

其中猎户座星云是最亮的星云之一,距离我们大约 1345 光年,这也是离地球最近的恒星形成区。

但猎户座并不是最近的星云。卡尔·路德维希·哈丁在 1800 年代初发现的螺旋星云被认为是离地球最近的星云——位于大约 655 光年的距离处,由一颗死星的残骸组成,不能产生新的物体。

星云是如何形成的?

虽然太空可能看起来很空旷,但它实际上包含相当数量的气体和尘埃颗粒,即所谓的 星际介质 (ISM)——大部分由气体组成,其中约 75% 的氢气和约 25% 的氦气。星际介质包括中性原子和分子以及带电粒子,例如离子和电子。通常,这些粒子非常分散,平均密度约为每立方厘米 1 个原子。(相比之下,在海平面,地球大气 每立方厘米包含大约25 x 1018个分子。)

尽管这是一个非常低的密度,但在广阔的星际距离上,物质的总量可以加起来相当多。随着时间的推移,万有引力会导致这种物质凝聚成越来越大的团块。在高密度区域,来自重力的压力可能导致气态材料加热到足以点燃聚变。当这种情况发生时,可能会形成新的恒星。

然而,引力并不是星云形成的唯一方式。当一颗足够大的垂死恒星在超新星中爆炸时,从爆炸中喷出的物质,以及在冲击波中扫过的其他星际物质,可以形成一星云——超新星残余星云。这些并不总是可见的,但由于与周围星际介质的相互作用,可能会发出强大的 X 射线和无线电波。残余星云最终会分散到 ISM 中,通常在数十万年之后。

另一种在低质量恒星(质量在1到 8个太阳质量之间)死亡后形成的星云称为行星状星云。

实际上,行星这个词有点误导,因为这些星云与行星无关。相反,它们是由 19 世纪的天文学家威廉·赫歇尔(William Herschel)命名 的,因为在望远镜中观察时,这些新物体类似于气态巨行星。

在其生命周期结束时,恒星会从其外层爆炸。来自外层的物质分布在垂死的恒星周围,并导致行星状星云的形成。恒星膨胀核心释放的辐射使爆炸产生的碎片和气体电离。此时,当核心仍在燃烧热量时,它被称为白矮星。随着行星状星云的核心冷却,它变成了一颗黑矮星。

矮星(如美杜莎星云)和超新星残余星云(如蟹状星云)死亡产生的行星状星云不能产生新的恒星,但像天鹅星云或猎户星云这样的星际分子云却是活跃的恒星托儿所。大多数星云很大,大小跨越数光年,但它们的密度非常低,例如,地球的重量是 5.972 x 10 24 公斤,但与地球大小相同的星云只有几磅重。

星云的类型

除了超新星遗迹和行星状星云,还有其他三种类型的星云。大多数属于漫射星云,这意味着它们没有明确的边界。漫射星云根据它们在可见光下的表现分为两类——“发射星云”和“反射星云”。除了这些,还有暗星云。

发射星云(Emission nebulae)

发射星云由发射光波长光的电离气体云组成。它们的密度差异很大,它们的质量通常在 100 到 10000 个太阳质量之间。

当含有高比例中性氢原子的星际气体云被炽热的 O 型恒星(表面温度通常在 25000-50000 K 左右的蓝白色恒星)电离时,它们就会发生。这些会释放出大量的高能光子。这些光子将中性氢原子分解成氢核和电子,它们在激发态重新结合形成中性氢。当中性氢原子返回到较低的能量状态时,它们会发射光谱红端波长的光子,使发射星云呈现出独特的红色。

发射星云通常被称为 HII 区域,因为它们主要由电离氢组成(天文学家使用术语 HII 指代电离氢,而 HI 指中性氢)。

反射星云(Reflection nebulae)

当来自恒星的光被邻近的尘埃云散射或反射时,就会产生这些。最亮的反射星云被 B 型恒星照亮。它们非常明亮,但温度通常低于约 25000 K,比产生发射星云的 O 型恒星还要低。

散射光略微偏光。由于云中尘埃颗粒的大小与蓝光的波长相近 ,蓝光被散射最多。结果是这些星云通常呈蓝色。

暗星云(Dark nebulae)

它们含有非常高浓度的尘埃颗粒,因此它们会散射和吸收入射光 ,使它们在太空中看起来像一个黑暗的斑块。当它们位于较亮的区域(例如发射星云)或具有大量恒星的区域之前时,它们最为引人注目。众所周知的例子包括在南半球可见的煤袋星云和马头星云。

暗星云也非常凉爽,平均温度在 10 到 100 开尔文左右。这些低温促进了氢 的形成,这就是为什么暗星云通常充当丰富的恒星形成区域。

包含超过一百万 个太阳质量 的物质并延伸超过 650 光年或更多的 大型暗 星云被称为巨型分子云。最小的被称为 Bok 球体,直径可能不到 3 光年,含有不到 2000 个 太阳 质量的物质。

以下是关于外太空尘埃云的一些令人惊讶的事实:

1786 年,天文学家弗雷德里克·威廉·赫歇尔发现了一个名为猫眼 (NGC 6543) 的复杂星云。这片尘埃云包括一个三光年周围的光晕,以及许多看起来像结、气泡、同心环、环状等的结构。它是科学家发现的第一个行星状星云,直到现在,天文学家还未能完全了解它的结构。

在 20 世纪之前,“星系”作为一个单独的概念并不为人所知。天文学家认为星云和星系是一回事,这就是为什么第一个被发现的星系仙女座以前被称为仙女座星云。然而,现在我们知道星系和星云是不同的东西。两者的主要区别在于星云来自星际介质,主要由氦气和氢气组成,通常星云的大小在几光年到一百光年之间。而一个星系要大得多,跨越数十万光年,由尘埃、恒星、星云和太阳系组成。

最大的星云被称为“狼蛛”,其最宽处的大小为 1800 光年,距离我们的星球约 170000 光年。它是位于大麦哲伦星云中的发射星云。狼蛛被认为拥有多达 800000 颗恒星,目前,它被认为是已知的最活跃的恒星幼儿园。

我们银河系中最热的恒星的温度可能在 250000 °C 左右,它们位于蝴蝶星云 ( NGC 6302)中,这是一种以蝴蝶翅膀形式散布的尘埃云,距离地球约 4000 光年。

许多人可能认为星云只是天文学家通过望远镜成像的彩色尘埃云(即使用肉眼也可以观察到猎户座星云这样非常明亮的星云),但它们远不止这些。不仅恒星和太阳系诞生于其中,而且我们的整个宇宙也通过这些恒星云不断演化。

(编译:J)

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