星云和星际物质

充满物质的恒星际空间 　　我们已经知道了恒星的空间分布，了解到恒星之间具有广阔无垠的空间。那么，恒星际空间是不是一无所有的真空呢？如果有物质，又以什么形态存在呢？可以肯定地说，恒星之间不是真空，而是充满了形形色色的物质。这些物质包括星际气体、尘埃、粒子流、宇宙线和星际磁场等，统称为恒星际物质。这些星际物质的分布也是不均匀的。有的地方气体和尘埃比较密集，形成各种各样的云雾状的天体。这些云雾状的天体就叫星云。“星云”这个名词仅有200多年的历史。起初把星际空间弥散的云雾状天体统称星云。后来随着天文望远镜分辨率的提高，这些星云又被分成星团、星系和星云三种类型。1924年以后，天文学家们把由气体和尘埃物质组成的星云确定为我们银河系内的天体。通过对星云和星际物质的观测研究，使我们更全面地认识恒星的形成与衰亡，更深刻地了解银河物质的空间分布。 　　形形色色的星云 　　银河系中的星云物质，就形态来说，可以分为弥漫星云、行星状星云和超新星剩余物质云；就发光性质来说，可分为发射星云、反射星云和暗星云。 　　从外形上看，弥漫星云没有明显边界，平均直径在几十光年，常常呈不规则形态。平均密度在每立方厘米10～100原子。大多数弥漫星云质量在10个太阳质量左右，它们主要分布在银河系内的银道面附近。弥漫星云又分为亮星云和暗星云，亮星云又分为反射星云和发射星云。 　　双星团等均属疏散星团。在银河系内已发现1000多个疏散星团。 　　昂星团由1000多颗恒星组成，眼睛直接看到的只有六七颗，它离我们约417光年。距昴星团不远处有毕星团，它由300多颗恒星组成，整个星团集体在空间移动，称为移动星团。蜂巢星团由多颗恒星组成，它也是移动星团。一般说来，疏散星团由年轻的蓝巨星组成。 　　球状星团由成千上万，甚至几十万颗恒星组成，外貌呈球形，越往中心恒星越密集。球状星团里的恒星平均密度比太阳周围的恒星密度高几十倍。同一个球状星团内的恒星具有相同的演化历程，它们属银河系中早期形成的恒星，大约100亿年了。球状星团多分布在银河系中心方向。比如，在人马座方向已发现30多个球状星团。在银河系中已发现约130个球状星团。最大最亮的球状星团是位于半人马座内的ω星团，相当于3等星的亮度，它距我们约1．6万光年。武仙座中的球状星团，在天文望远镜中犹如一朵盛开的菊花。它由约250万颗恒星组成，距我们约2．5万光年。 　　著名的猎户座大星云（M42）就是亮星云。它位于猎户座三星下面的小三星中间。1656年，被荷兰天文学家和物理学家惠更斯用自制的天文望远镜发现。用一般小型天文望远镜也能观测到它。它形似艳丽的棉桃，分外壮观。它的直径约16光年，质量约为太阳的300倍，离我们约1500光年。1880年9月30日，一位美国医生、天文爱好者亨利·德拉普用口径28厘米的折射天文望远镜，首次拍下猎户座大星云的照片。现在已知，猎户座大星云和它周围的恒星组成一个疏散星团。这个星团中有许多高温恒星，它们发出强烈的紫外辐射，使这团气体受激发光。在这个星云中已发现有许多年轻的恒星。天文学家们正密切关注着猎户座大星云内的活动。 　　弥漫星云中的亮星云还有礁湖星云（M8）、鹰嘴星云（M16）、马蹄星云 　　（M17）、三叶星云（M20）和玫瑰星云等。弥漫星云中的暗星云有猎户座马头星云等。 　　行星状星云呈现类似大行星的形状，中心空，类似吐出的烟圈。1779年，威廉·赫歇耳观测到这种天体时，给它们起名为行星状星云。在行星状星云的中央有一颗很亮的恒星，恒星周围的环不断向外膨胀扩张。可见，行星状星云的寿命不会长久。目前已发现1300多个行星状星云。它们的质量一般在0．1～1个太阳质量之间。著名的行星状星云有宝瓶座耳轮星云和天琴座环状星云等。行星状星云属恒星晚年的结局。在银河系内普遍存在着行星状星云。其他河外星系中也有行星状星云。如仙女座星系中就已发现300多个行星状星云；大麦哲伦星系中发现400多个行星状星云；小麦哲伦星系中发现200多个行星状星云。 　　茫茫的星际物质 　　各类星云都属星际物质，它们是更密集的星际物质。银河系中星际物质的平均密度为每立方厘米1个氢原子，这种密度在地球上的真空都不能达到。然而就是这样的密度，银河系中星际物质总质量要占银河系总质量的10％。当然，星际物质的分布是不均匀的，它们主要分布在银河系的旋臂之中。 　　星际物质包括星际气体和星际尘埃。星际气体包括：气态原子、分子、电子和离子等。观测证实，星际气体的元素中氢占多数，其次是氦。这表明什么呢？这与太阳和恒星上的化学元素分布是一致的。这充分说明星际物质和恒星演化有密切关系。星际尘埃是指直径很小 （十万分之一厘米）的固态物质，它们弥散在星际气体之中，大约是星际气体质量的10％。星际尘埃包括冰状物、石墨和硅酸盐等混杂物。星际物质的成分显示出在辽阔的宇宙空间物质的统一性和多样化的特征。 　　通过烟尘或大雾观看物体时，会发现物体不清晰并变暗。通过地球大气中的薄云看星，星光也会大大减弱变暗。这些都是生活中最直观的大气消光现象。星际空间既然有星际物质存在，有没有星际物质的消光现象呢？当然有。星光在漫长的星际“旅途”中，穿过形形色色的星际物质，星光被吸收，使星光减弱，叫星际消光。星际物质使通过的星光被散射，散射的结果是使星光变红，叫星际红化。1930年，美国天文学家特朗普勒首次证明星际消光现象的存在。他在美国里克天文台观测研究星团时，发现远的一球状星团比预计的要暗要红。为什么会这样呢？是星团自身的性质问题？还是理论上的毛病？都不是。宇宙空间不是理想的真空，存在着星际物质“拦路”，造成星光被吸收和散射，引起星光变暗偏红。星际物质存在的客观事实，使天文学研究恒星世界要考虑一系列的改正问题。比如，银河系的直径要比以前确定的偏小；同时也引出一系列的新发现，如星际气体中氢的发现等。由星际物质引出的问题，说明人类的认识是有阶段性的，是不断地深入发展的。 　　银河星团 　　银河星团的形状和恒星的集中度不规则，用望远镜可以分辨出其中各个单星。银河星团的直径一般不到几十光年，所含恒星数从十颗以上到几百颗不等。银河星团是属于星族I的天体，星族I的星是分布在银河系旋臂上的年轻、炽热的星，它们常常含有恒星从其中形成的原始星云状物质的痕迹。对一些离我们较近的银河星团，由于投影的原因，其成员星的自行不尽相同，它们从一点辐射出来或汇聚于一点，这样的银河星团又称为移动星团。 　　已列入星表的1000多个银河星团中，最引人注目的是昴星团和毕星团。位于金牛座的昂星团，又称七姊妹星团，因我国古代把其中的七颗亮星列为昴属而得名。其视直径约为2°，距离太阳417光年，星数大约在250～500之间，它们都是较年轻的成员，估计为5000万年。这些星是从同一片星际云产生的，该云的遗迹还可从围绕着星团中一些星的云可见。著名的气壳星金牛座28就在昴星团内。 　　毕星团位昴星团的东南约12°，其所以知名是因为它是同类星团中距离我们最近的，新近测定的距离为153光年。该星团有400颗星，有一些是很暗的16等星，其真实光度不到太阳的二千分之一。与昂星团不同的是，毕星团的成员是老星，估计它们的年龄在4亿岁左右。但已知最老的银河星团却是巨蟹座的富致密星团M67和仙王座各星分布较分散的星团NGC188，M67含有约500颗星，距离太阳2500光年，约有100亿年了，NGC188的距离为M67的两倍，而年龄更大，估计为120到140亿年，它们是银河星团中突出的两例，其成员星较接近于球状星团中的成员。这两个星团的另一共同之处是它们均位于银河系主平面之上，M67在主平面之上1500光年， NGC188位于主平面之上1800光年。 　　星协 　　分布在很大空间范围内的相同光谱型年轻恒星 （年龄估计为百万岁至千万岁）的松散集团称为星协。由O型和B型光谱的大质量和高光度的主星序恒星组成的松散集团称为OB星协，它们多存在于银河系气体和尘埃较多的旋臂中，直径为100～150光年。银河星团常位于星协中心附近，例如英仙座ζ星协包围着h和X双重星团；由质量稍小 （3～10倍太阳质量）的年轻亮星组成的星协称为R星协，它们照亮暗星云；T星协是由与太阳质量相近的年轻金牛座T型星组成的星协，大多数T星协不到30颗星，但也有少数多到400颗星的T星协，R和T星协常在年轻的银河星团附近出现。星协是不稳定的恒星系统，它们在100万到200万年内就会瓦解。已发现有的OB星协正在膨胀之中，星协的各成员星看上去是从一个公共的中心膨胀出来的，将各星的速度矢量倒着延伸回去汇聚一点便可估计出星协的年龄，英仙座Ⅱ星协的膨胀年龄稍大于100万年就是用此法求得的。星协的发现，说明直到现在银河系中还有恒星诞生，而且可以单个或成群地产生，这对研究恒星起源是很有意义的。 　　银河系内太阳系以外一切非恒星状的气体尘埃云称做星云。按形态来说，可分为广袤稀薄而无定形的弥漫星云、亮环中央具有高温核心星的行星状星云，以及尚在不断地向四周扩散的超新星剩余物质云 （参见第四节超新星部分）。就发光性质来说，可分为被中心或附近的高温照明星激发发光的发射星云、因反射和散射低温照明星的辐射而发光的反射星云、部分地或全部地挡住背景恒星的暗星云；前两者统称为亮星云。 　　银河系的邻居 　　在浩瀚的宇宙空间，像我们银河系一样的星城，叫河外星系，简称星系。目前，已发现约10亿个河外星系。真是城外有城。 　　河外星系也是由数十亿至数千亿颗恒星、星云和星际物质组成。河外星系本身也在运动。它们的大小不一，直径从几千光年至几十万光年不等。我们的银河系在星系世界中只是一个普通的星系。星系的结构和外观是多种多样的，星系的空间分布也是不均匀的，星系也是成双或成团存在的。我们银河系和它周围30多个星系组成一个集团，叫本星系团。其中离我们银河系最近的有大麦哲伦星系、小麦哲伦星系和仙女座星系等，它们都是我们银河系的近邻。目前已知星系团就有1万多个。通过对星系质量、形态、结构、运动、空间分布、内部恒星和气体的成分等方面的观测研究，进而促进对恒星和大尺度的宇宙结构的研究，这是当代天文学中最活跃的领域。 　　1926年，哈勃根据星系的形状等特征，系统地提出星系分类法，这种方法一直沿用至今。他把星系分为三大类：椭圆星系、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。除此之外，也还有其他分类。对星系分类，是研究星系物理特征和演化规律的重要依据。 　　椭圆星系。外形呈正圆形或椭圆形，中心亮，边缘渐暗。按外形又分为8种次型。 　　旋涡星系。外形呈旋涡结构，有明显的核心，核心呈透镜形，核心球外是一个薄薄的圆盘，有几条旋臂。在旋涡星系中有一类外形宛如一个棒状物，也称棒旋星系。 　　不规则星系。外形没有明显的核心和旋臂，看不出旋转的对称结构，呈不规则的形状。 　　除上述哈勃星系分类以外，也还有特殊星系。特殊星系主要表现在星系核有明显的活动。 　　人类对巨大的星系世界的观测研究仅有几十年的历史。但是，对星系的特征和演化研究已取得了丰硕的成果。 　　星系大小。椭圆星系的大小差异很大，直径在3300多光年至49万光年之间；旋涡星系的直径一般在1．6万光年至16万光年之间；不规则星系直径一般在6500光年至2．9万光年之间。当然，由于星系的亮度总是由中心向边缘渐暗，外边缘没有明显界线，往往用不同的方法测得的结果也是不一样的。 　　星系质量。星系质量一般在太阳质量的100万至10000亿倍之间。椭圆星系的质量差异很大，大小质量差竟达1亿倍。相比之下，旋涡星系质量居中，不规则星系一般较小。 　　星系运动。星系内的恒星在运动，星系本身也有自转，星系整体在空间同样在运动。 　　星系的红移现象。所谓星系的红移现象，就是在星系的光谱观测中，某一谱线向红端的位移。为什么有这种位移呢？这种位移现象说明了什么呢？根据物理学中的多普勒效应，红移表明被观测的天体在空间视线方向上正在远离我们而去。1929年，哈勃发现星系红移量级与星系离我们的距离有关。距离越远，红移量越大。这种关系被称之为哈勃定律。这是大爆炸宇宙学的理论。