星云，是一朵“云”吗？

　　笔者在大学的天文系从教，有时本系办公室会把公众打来的咨询电话转接给我，让我回答。

　　往往有人问的是今天天气如何，明天天气怎样？我便会告诉他们气象与天文的区别。概言之，气象研究地球大气层里的现象和事件，天文研究大气层外宇宙空间的现象和事件。

　　星云不是云，根本区别就是星云在宇宙空间，属天文学研究的对象，云在大气层里，属气象学研究的对象。其实，古人早就知道区分云与“星云”，云在天空是飘忽不定的，而星云在晚上总是出现在固定的天区，例如某个星座里或某颗恒星的近旁。

　　弥漫星云M42，即猎户星云。（M. Robberto）

　　最初的模糊身影

　　历史上最早记录星云的是10世纪生活在波斯的天文学家阿卜杜勒-拉赫曼·苏菲。他在其名著《恒星之书》里把仙女座里的一个云雾状天体称为“一朵小云”，这是对仙女星系的首次描述。他还描述了另一个邻近的河外星系大麦哲伦云，称之为“南阿拉伯的白牛”，因为他在波斯见不到它，而是在阿拉伯半岛南端的也门见到的。

　　在望远镜发明之前，人们用肉眼只看到了寥寥几个云雾状天体，如猎户座大星云、仙女座大星云等，由于数目稀少，除了几个零星的记录，并未引起人们的特别注意。17世纪，望远镜开始应用于天文观测，越来越多的云雾状天体进入天文学家和天文爱好者的视野，它们呈现为大小和形态各不相同的、模模糊糊的一个视面。直到18世纪晚期人们还不明白它们的本质，根据它们的形态给了它们同一个名称——星云，甚至还编到了同一本星表里去了。

　　这本星表迄今仍是天文爱好者们的宝典，它是由法国天文学家梅西叶编制的，可以说梅西叶是系统地搜寻星云的第一人。梅西叶被誉为“彗星猎手”，一生发现了数十个彗星。彗星在远离太阳的时候是一个模糊的光斑，很容易与其他“星云”混淆，他在搜寻彗星的过程中经常会遭遇这个麻烦。为了区别天空中的星云与彗星，1781年他把自己和他人观测发现的103个星云编成一个表。该表被称为《梅西叶星表》，简称《M星表》，后来经人增补，扩大为110个。

　　图1 M57指环星云（Stefan Heutz，Wolfgang Ries）

　　现在我们知道，这些看上去都呈云雾状的“星云”，其实包含了3类本质完全不同的天体：由恒星聚集成的星团、由气体和尘埃组成的气团 （即我们现在所称的星云） ，这两类都在银河系之内，另一类是河外星系，它们则统统都在银河系之外了。

　　例如疏散星团M45 （昴星团，45是在星表里的编号） 、球状星团M1 3（武仙大星团） 、弥漫星云M42 （猎户星云） 、超新星遗迹M1 （蟹状星云） 、行星状星云M57 （指环星云） 和河外星系M31 （仙女星系） ，它们都是不同类型的天体，实际上，这本星表中57个是星团，50个各种星云或星系，1个星云和伴生星团，2个双星和聚星。列入《M星表》的星团、星云和星系 （称为“梅西叶天体”或M天体） 都是比较明亮的天体，这些都很适合用小型望远镜观看，因此梅西叶天体至今仍然是天文爱好者喜爱的对象。梅西叶因这本星表而名垂青史，可是星表所列天体却是他所嫌弃的。

　　这样一个历史的悖论，不禁令人莞尔一笑。尽管我们今天已经认识了“星云”的本质，但有些“名不符实”的名称还是沿用至今，例如作为河外星系的仙女星系和大、小麦哲伦星系也被称为仙女座大星云和大、小麦哲伦云。

　　从搜寻到分类

　　历史上率先系统地观测和研究“星云”的天文学家是英国的威廉·赫歇尔和约翰·赫歇尔父子。威廉·赫歇尔原是一名乐师，业余爱好天文学，自己磨制望远镜。1783年起，他用望远镜有计划地搜寻许多前人未能看见的“星云”，逐个天区巡视，记录下它们的位置和形态。威廉·赫歇尔还发现了一类“行星状星云”，它们在望远镜视场里呈现为与行星类似的明亮视圆面。由他给定的这个名称虽然名不符实，却一直沿用至今。

　　1811年威廉·赫歇尔把他所发现的2500个星云排列成表，体现了这些天体之中有从弥漫物质直至凝固恒星之间的许多过渡形式。因为威廉·赫歇尔认为星云的弥漫物质可能凝结成恒星。这实际上建立了一种星云按形态的分类法，现在我们知道这样的分类并不切合实际，恒星并不是经过像赫歇尔所说的那些阶段而形成的，不过这却成了恒星起源研究之嚆矢。

　　19世纪初，人们首先把星团从“星云”中区分出来了。1825年，约翰·赫歇尔对他父亲所发现的星云进行了彻底复查。他将这一研究结果于1833年发表在一本包含2306个星云和星团的书内，其中有525个是他新发现的。同年11月他携他父亲的望远镜来到南非好望角，建立了一个观测站，又发现了300个“星云”。

　　约翰·赫歇尔于1864年发表了一本有关星团和星云的《总星表》。1888年，丹麦天文学家德雷耶对约翰·赫歇耳的《总星表》进行了修订和增补，编制了《星云星团新总表》，简称NGC，列出7840个天体。后来德雷耶分别于1895年和1908年两次发表了NGC的续编《星云星团新总表续编》，简称IC，列出5386个天体。编入NGC和IC两个表内的天体分别以NGC、IC加上在表内的编号表示，与M星表一样，实际上包含了星团、星云和河外星系。例如武仙大星团称NGC6205 （即M13） ，蟹状星云称NGC1952 （即M1） ，仙女星系称NGC224 （即M31） 等，这些编号直到现在还被广泛地应用。

　　在银河系和其他星系内，散布着大量单颗恒星。但是，恒星有集群分布的特征，除了双星和聚星这类最小的恒星系统之外，还存在着由众多恒星组成的更大系统——星团。星团包括球状星团和疏散星团两种类型。疏散星团的形状不规则，结构松散，在几十光年的范围内通常包含几十颗到几千颗恒星，用普通的望远镜就可以分辨其中的成员星，其成员多为年轻恒星，它们高度集中在银道面的两侧。昴星团 （M45） 就是一个典型的疏散星团。

　　球状星团是呈球形或扁球形的紧密恒星集团，其成员多为老年恒星。球状星团包含数万至数千万量级恒星，直径从20-200多光年；结构致密，越往中心恒星越密集，星团内恒星的平均分布密度比太阳附近约大50倍，中心密度大到1000倍左右。球状星团呈现以银河系中心为球心的大致为球形的空间分布，主要在银晕内巨大的椭圆轨道上绕银河系中心旋转。

　　图2 哈勃的星系分类

　　至于认识河外星系则经过了相当漫长而曲折的过程。直到20世纪20年代，这个难题终于被杰出的美国天文学家哈勃所解决。1923-1924年期间哈勃在美国威尔逊山天文台观测M33 （即三角星系） 和M31 （即仙女星系） ，测量这两个星云中的造父变星，由此定出了这两个星云的距离，确认它们远在银河系之外。从此，人类的视野开始超出银河系，进入星系世界。随着这项工作，哈勃还进行了关于星系的大量前沿性研究，开创了河外星系的研究领域。他率先根据星系的形态对星系分类，成为星系分类的经典方法，一直沿用至今。

　　根据哈勃分类，星系分为4类：椭圆星系，透镜状星系，旋涡星系和不规则星系。旋涡星系又可分为 （正常） 旋涡星系和棒旋星系两族。透镜状星系和旋涡星系均有星系盘，统称为盘星系。

　　椭圆星系

　　椭圆星系呈椭圆形或正圆形。这类星系没有旋涡结构，通常中央较密，包含一个核，但也有些并没有核。它们的形状彼此相似，主要差别在于扁度和表面亮度向外的下降率不同以及有不同的大小。

　　图3 椭圆星系M87

　　旋涡星系

　　具有旋涡结构的星系叫作旋涡星系。在这类星系中，从中央向外缠卷两条或更多条称为旋臂的条状结构。旋臂位于很薄的、称为星系盘的平面内。旋涡星系分为两族：正常旋涡星系和棒旋星系。正常旋涡星系的中央部分呈椭球状，通常就简称为旋涡星系，例如NGC1232。棒旋星系的中央部分呈棒状，例如NGC1365。

　　图4 旋涡星系NGC1232，位于波江座

　　图5 棒旋星系NGC1365，位于天炉座（Martin Pugh）

　　透镜状星系

　　透镜状星系介于椭圆星系和旋涡星系之间，是没有旋臂的盘星系。它们有明亮的核球和扁盘，但没有旋臂，形似透镜，其中的核球大致上与盘的其余部分一样大，使得星系的形态几乎呈球形，例如M102。

　　图6 透镜状星系M102，位于天龙座。（W. Keel）

　　不规则星系

　　不规则星系没有旋涡结构，形状不对称，不存在可辨认的核，用符号Irr表示。不规则星系分为两个次型，符号分别为Irr I和Irr II。Irr I型的不规则性是固有的，能分辨出恒星和星云，气体的相对含量超过旋涡星系。典型的Irr I型不规则星系如大麦哲伦云。Irr II型只具有整体上无定形的形态，通常有很明显的尘埃条。它们的不规则性是由某种扰动引起的，包括星系核的爆发、星系之间的大碰撞或相互作用等。例如，位于乌鸦座的触须星系就是由NGC4038和NGC4039两个旋涡星系碰撞而形成的。

　　图7 触须星系（Federico Pelliccia，Rolf Wahl Olsen）

　　星云的本质

　　上面我们揭露了假星云的老底，下面交代真星云的本质。

　　星云是由气体和尘埃组成的云雾状天体。银河系内恒星之间的平均距离为6~10光年。散布在广阔星际空间的物质被称为星际物质，又称星际介质。这些物质包含由各种原子、分子、电子、离子组成的气体和尘埃。星际物质的平均密度很低，在1立方厘米的空间内大约只有1个氢原子，远远低于实验室制造的真空中的气体密度。银河系中星际物质的质量约占星系总质量的10%。星际物质在银河系中的分布不均匀，通常集中在银盘，尤其是银河系的旋臂，在星际气体和尘埃密度相对比较高的区域形成了星云；一般星云的密度在10-1000个氢原子每立方厘米。

　　星云从起源上可分为弥漫星云、行星状星云和超新星遗迹星云。星云的外观千姿百态，有的形如马头，有的状如玫瑰，还有的酷似蚂蚁等。弥漫星云是在星际空间引力相对较高的区域由星际物质聚集而成，占星云中的绝大部分。形状大多很不规则，且往往没有明确的边界，物质无规则地充盈其间，呈弥漫状；平均直径几十光年，如M42 （猎户星云） 。行星状星云是小质量恒星 （小于8太阳质量） 演化到晚期通过红巨星膨胀并扩散而形成，如M57 （指环星云） 。超新星遗迹星云是大质量恒星 （大于8太阳质量） 演化到晚期通过红巨星的暴缩，进而导致超新星爆发形成，如M1 （蟹状星云） 。

　　根据星云是否发光，星云分为发光的亮星云和不发光的暗星云两类，亮星云又包括发射星云、反射星云、行星状星云和超新星遗迹。我们将在下一篇里介绍这些星云。

　　图片来源：

　　NASA；ESA；STScI；AURA；NOIRLab；NSF；APOD，ESO；Subaru；NAOJ；Astro-Cooperation

　　责任编辑 冯翀

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