世界科技全景百卷书: 星云和星际物质

原标题:质量最大的恒星长啥样?300太阳质量的恒星了解下

  充满物质的恒星际空间

图片 1到今年4月24日,近地轨道上的哈勃空间望远镜就已经升空整整25年了。图片来源:NASA

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  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。

1990年4月24日,发现号航天飞机从美国肯尼迪中心发射升空,将哈勃空间望远镜送上了近地轨道。尽管在最初的几年里,这台望远镜备受视力模糊的困扰,但经过修复和多次维护之后,哈勃已经成为了有史以来最著名、也最重要的天文望远镜,改变了我们对于宇宙的诸多认识,更不用说它还拍摄过许多已经成为经典的绝美太空照片了。

太阳是太阳系中最大的天体,其质量占整个太阳系的99.8%。但是在恒星尺度上,太阳其实相当普通。有超过一半的已知恒星质量都大于太阳。位居巨大质量恒星列表最顶端的是R136a1,其质量是太阳的300倍以上。

  形形色色的星云

现在,我们不妨用一组哈勃空间望远镜拍摄的照片,来庆祝它升空25周年。

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  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。

图片 3木星和它的大红斑。图片来源:NASA

这张想象图展示了年轻恒星的相对大小,最小的是红矮星,质量约为0.1太阳质量;然后是黄矮星,即太阳所属的GV恒星;接着是质量在8太阳质量以上的蓝矮星;最后是具有约300太阳质量的R136a1

  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。

木星是太阳系里最大的行星。这颗气态巨行星的大气里存在复杂的活动,包括相对移动的云带和成百上千个大大小小旋转着的风暴。规模最大的一个风暴,被称为木星大红斑。自1632年被发现以来,大红斑一直存在至今。哈勃发现,木星大红斑的长轴正以每年930千米的速度缩短,形状也渐渐从卵形变成了圆形。按照这样的速度,大红斑会在4年内变成正圆形。

最重恒星的诞生

  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。

图片 4土星及其光环和卫星。图片来源:NASA

RMC
136a1通常简写为R136a1,是一颗位于大麦哲伦星系蜘蛛星云的恒星,距离地球约163000光年。这颗巨大质量恒星处于银河系以外,其所属的大麦哲伦星系是一个环绕银河系运转的星系。

  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。

土星拥有美丽的光环。每隔大约15年,土星的光环就会侧对着我们一次,有时候几乎会消失不见。这张摄于2009年2月24日的照片上,土星光环就几乎要侧对着我们。土星最大卫星——土卫六泰坦正从土星前方经过,并将阴影投在了土星表面。如果足够仔细的话,你还能在土星圆面上找到白色的土卫一和它投下的小小影子。

1960年,南非雷德克里夫天文台的天文学家发现了一个星团,并将其命名为RMC
136。后来,哈勃太空望远镜的观测发现,该星团由超过200颗极亮的恒星组成,其中最大的一颗被命名为RMC
136a1。

  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。

图片 5猎户座大星云。图片来源:NASA

据估计,R136a1的质量为315太阳质量(最初发现时的估计值是265太阳质量,但2016年哈勃太空望远镜的进一步观测修正了最初的估计)。尽管R136a1是目前已知质量最大的恒星,但它曾经具有更大的质量。

  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。

1300光年外的猎户座大星云,是距离地球最近的恒星形成区,有成千上万颗恒星正在这里诞生。哈勃拍摄的这张照片,展现了这片星云中的诸多细节,揭露了新生大质量恒星与周围的尘埃和气体之间复杂的互动。

“与人类不同,这些恒星诞生时质量很大,并随着年龄增长而逐渐流失质量,”英国谢菲尔德大学的研究者保罗·克劳瑟说,“极端质量的R136a1的年龄为100万年多一点,已经步入‘中年’,并且经历了大量的质量损失。”

  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

图片 6马头星云。图片来源:NASA

虽然R136a1是已知质量最大的恒星,但并不是体积最大的,它的半径只是太阳的30倍左右。目前已知体积最大的恒星是盾牌座UY,其半径大约是太阳的1700倍,但质量却只有太阳的30倍。

  (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。

马头星云是天文学里最具标志性的暗星云之一。在可见光波段,它遮挡了背后的星光,留下了一个形似马头的黑色剪影。而哈勃望远镜拍摄的这张红外照片,能够看穿不透光的尘埃,给马头星云带来了一个全新的视角。

如果R136a1与太阳放在一起,它会使太阳黯然失色,就像太阳光与月光的差别。它的强烈辐射将对地球产生非常严重的后果。英国基尔大学的研究者拉斐尔·赫胥说:“它的大质量会使地球年缩短到3个星期,它会让地球沐浴在极其强烈的紫外线辐射中,使地球生命无法生存。”

  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。

图片 7行星状星云NGC
5189。图片来源:NASA

星系的塑造

  茫茫的星际物质

行星状星云是类似太阳的中等恒星临近死亡的一个短暂阶段。当一颗垂死的恒星快要耗尽核心的燃料,它会抛出大部分外层物质,然后被恒星残骸发出的紫外辐射照亮。距离地球1800光年的NGC
5189,就是一个很好的例子,展现出了极其复杂的结构。哈勃望远镜的这张照片,帮助天文学家构建起了这类星云的3维结构模型。

R136a1是一颗沃尔夫-拉叶星,这是一类罕见的巨大质量恒星,最显著的特征是具有电离的氦、碳或氮。类似太阳的恒星主要由氢和氦组成,而沃尔夫-拉叶星则携带大量的其他重元素。

  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。

图片 8猫眼星云。图片来源:NASA

这些恒星的亮度极高,表面温度达到3万到20万摄氏度。相比之下,太阳表面温度只有5500摄氏度。

  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。

猫眼星云是最早被人发现的一批行星状星云,哈勃望远镜揭露了其中惊人复杂的结构。借助这张照片和后续的一系列观测,天文学家再现了这颗垂死恒星生命最后阶段复杂的演化过程。

类似R136a1这样的巨大质量恒星对所处环境有着重要影响。科学家推测,它们的高辐射压力能驱动强劲的恒星风。这些恒星风能以每秒高达3000公里的速度,在100万年内将10太阳质量的物质抛散到太空中。

  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。

图片 9行星状星云NGC
6302。图片来源:NASA

相比寿命长达100亿年的太阳,沃尔夫-拉叶星的寿命要短得多,只有约500万年。科学家在银河系中已经发现了200多颗沃尔夫-拉叶星,但据估计,银河系中这类恒星的数量可多达2000颗,大部分隐藏在尘埃之后。科学家认为,大约一半的沃尔夫-拉叶星都有“同伴”,可能是另一颗巨大质量恒星,也可能是黑洞或中子星。

  银河星团

距离地球3800光年的NGC
6302,有时又被称为蝴蝶星云。这只太空蝴蝶的翅膀,其实是温度超过2万摄氏度的炽热气体,翅展超过2光年。哈勃的照片揭露了星云中央不可见的那颗垂死恒星抛射这些气体的历史。

巨大质量恒星在以超新星形式爆发时,能将重元素扩散到所处星系中。虽然最初的宇宙充满了氢和氦,但恒星起到了加工厂的作用,将这些轻元素合成了几乎所有其他元素。当巨大质量恒星爆发、死亡的时候,会将物质抛射出去,被其他恒星吸收,或者聚集形成行星。

  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。

图片 10猴头星云中的尘埃柱。图片来源:NASA

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