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作者：Rishabh Nakra
翻译：付哲
校对：牧夫天文校对组
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责任编辑：毛明远
心脏星云
如果有人告诉你爱情就在空气中，你可以给他们看这张照片，然后说：“别管空气了，爱情就在宇宙中。”这个巨大的结构叫做心脏星云。心脏星云是宇宙中最为美丽的天体之一，它表明，大自然比起科学家或者工程师更像是一名艺术家。但是，心脏星云究竟是什么？它又是怎样形成的？为什么颜色是红色？这片宇宙区域又发生了什么呢？太多的问题等待回答，但是别担心，你不需要成为天文学专家就能理解这一切。
如何发现这片星云的？
心脏星云，是在200多年前(1787年)，由天文学家威廉·赫歇尔(William Herschel)发现的。威廉·赫歇尔是人类历史上最有影响力的天文学家之一。在1774年，他组装了自己的巨型望远镜，开始观察夜空中的天体。后来，他发现了太阳系中的第七个行星——天王星。
在1781年11月3日晚间，赫歇尔把自己的望远镜对准了仙后座，那里是一个“W”形的星座，坐落于银河系最为明亮的区域中。经过一系列观测后，赫歇尔发现天空中有一块模糊的地方。他将这些星云编入了自己的目录中，里面包含了超过5000个天体。
由于赫歇尔的望远镜分辨能力不足，他无法从中获得更多细节。几个世纪以来，随着技术进步，科学家们对这片星云进行了更为细致的研究，并且拍摄了更清晰的图片。这片星云尽管有着官方的编号IC 1805，但在科学界却以心脏星云的名称而流行，因为其形状与主流媒体中描绘的人类心脏十分相似。
心脏星云有多大？
一光年大约是9.46万亿公里，而心脏星云的直径是330光年。这个角度下，如果你乘坐最快的宇宙飞船，能够以每秒68公里的速度飞行，需要花130万年才能横跨这个星云。
同样，心脏星云位于7200光年之外。即便是星云发出的光也需要7200年才能到达我们这里。这意味着，我们今天看到的星云图像，正是7200年之前的样子！在我们探讨为什么星云看起来是红色的之前，让我们先了解一些天文学上的星云基本概念。
星云是什么？
在天文学中，星云是一片由灰尘与气体构成的区域，主要由周期表的前两种元素——氢和氦组成。里面也可能存在微量的其他元素。宇宙中的星云有很多种类，但它们大致都和恒星的形成与消亡有关。
蟹状星云，超新星遗迹
图片来源：NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University)
当一颗类太阳恒星到达寿命终结时，就会抛出冷却外层。这就是所谓的行星状星云。然而，这个名字是一种被习惯化的误称，因为它和行星毫无关系。此外，当一颗即将终结的恒星产生巨大爆炸后，留下的就是超新星遗迹。这两种类型的星云都与恒星的消亡有关。
然而，我们银河系中的大多数星云都是恒星的摇篮。它们富含氢和氦，而这两种元素是恒星形成的主要成分。这些形成恒星的星云中，有些会发光或反射光线，而其他的则表现为天空中的黑暗斑块，掩盖住后面的背景光线。心脏星云是一个发射星云，新的恒星往往在发射星云中诞生。那么为什么这个星云的颜色是红色的呢？答案在于氢原子。但在这之前，让我们了解一个与恒星有关的小概念。
根据欧空局最近的估计，宇宙中存在超过1亿亿亿（10^24）颗恒星! 天体物理学家根据恒星的表面温度，将其大致分为7大类。O型和B型恒星是最热的，其表面温度达到25,000开尔文。紧随其后的是A、F、G、K和M型恒星，表面温度不断下降。我们的太阳是一颗G型恒星，温度大约为6,000开尔文。注意，从O型到M型，恒星的表面颜色也在不断变化。随着这种颜色的变化，这些恒星所发出的辐射类型也在改变。
红光的秘密
O型和B型的年轻恒星会释放出大量的紫外线辐射。这些高能量紫外线光子使星云中的中性氢原子电离。电离意味着氢原子核和围绕它的电子分开。氢原子核与电子会重新组合，但这次是以激发状态来组合。
由电子跃迁产生的氢光谱
被捕获的电子按照氢原子的量子态逐级下降，发出辐射或光谱线。电子最重要的跃迁之一是从第三能级到第二能级或巴尔默系列的第一条线（图中最小的绿线）。这种跃迁产生了一条波长为656.28纳米的光谱线。
这条光谱线被称为H-α线——天文学家使用的最重要光谱线之一。如果你看一下电磁波谱，就能发现这个波长位于红色一端。这就是为什么大多数发射星云的颜色是红色的。在地球上，人们检测到的波长不需要正好是656.28纳米。它可能会有红移或蓝移，这取决于星云的相对运动。从计算出的红移来看，我们也可以确定星云离开我们的速度是多少。
H-α线就是656.28纳米处的明亮红线
就心脏星云而言，它的光芒来自一个由年轻的超大质量恒星组成的疏散星团，其名为Melotte 15。这个星团中的恒星是超大质量的O型和B型恒星，且位于星云中心附近，其中的一些恒星比太阳大50倍。从宇宙的时间尺度来看，它们很年轻，大约在50万年前形成。观测结果显示，该区域曾经还有一个发射无线电的微类星体，但这个天体在几百万年前就离开了这片区域。
有趣的邻居
心脏星云有一个有趣的邻居。就在这个星云的左边，有另一片气体云，叫做灵魂星云。心脏星云和灵魂星云是七个年轻恒星团的所在地。在这张图片中，你可以看到有两个背景星系。这些星系在光学图像中很难发现，但在红外观测中却变得清晰可见。其中一个是椭圆星系，另一个是透镜星系。著名的仙女座星系也位于心脏星云的附近。
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『天文湿刻』 牧夫出品
微信公众号：astronomycn
宇宙有浪漫的一面
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