星团与星云的观测

第一节　星团与星云的观测

一、星团的基本知识

星团是由于物理上的原因聚集在一起并受引力作用束缚的一群恒星，其成员星的空间密度显著高于周围的星场。星团按形态和成员星的数量等特征分为两类：球状星团和疏散星团。

星团的命名，一般采用相应的星表中的号码。最常用的是梅西耶星表，简写为“M”。它只包括了较亮的星团。较完全的是“NGC”星表，有时还用“IC”星表。这些星表中不仅仅包括星团，还有星云和星系。

1.球状星团

球状星团呈球形或扁球形，与疏散星团相比，它们是紧密的恒星集团。这类星团包含1万～1000万颗恒星，成员星的平均质量比太阳略小。用望远镜观测，在星团的中央恒星非常密集，不能将它们分开。

图10.1.1　M5球状星团（球状星团位于巨蛇座，它于1702年被首次发现，1764年梅西耶独立发现并给它编号）

在银河系中已发现的球状星团有150多个。它们在空间上的分布颇为奇特，其中有1/3就在人马座附近仅占全天空面积百分之几的范围内。天文学家最初正是根据这个现象领悟到太阳离开银河系中心相当远，而银河系的中心就在人马星座方向。跟疏散星团不同，球状星团并不向银道面集中，而是向银河系中心集中。它们离开银河系中心的距离绝大多数在6万光年以内，只有很少数分布在更远的地方。球状星团的光度大，在很远的地方也能看到，而且被浓密的星际尘埃云遮掩的可能性不大，因此未发现的球状星团数量大致不超过100个，总数比疏散星团少得多。

球状星团的直径在15至300多光年范围内，成员星平均空间密度比太阳附近恒星空间密度约大50倍，中心密度则大1000倍左右。球状星团中没有年轻恒星，成员星的年龄一般都在100亿年以上，并据推测和观测结果，有较多死亡的恒星。

2.疏散星团

疏散星团形态不规则，包含几十至两三千颗恒星，成员星分布得较为松散，用望远镜观测，容易将成员星一颗颗地分开。少数疏散星团用肉眼就可以看见，如金牛座中的昴星团（M45）和毕星团、巨蟹座中的鬼星团（M44），等等。

在银河系中已发现的疏散星团有1000多个。它们高度集中在银道面的两旁，离开银道面的距离一般小于600光年左右。大多数已知道疏散星团离开太阳的距离在1万光年以内。更远的疏散星团无疑是存在的，它们或者处于密集的银河背景中不能辨认，或者受到星际尘埃云遮挡无法看见。据推测，银河系中疏散星团的总数有1万～10万个。

图10.1.2　M6疏散星团（M6位于天蝎座，它是一个疏散星团，包括约80颗恒星）

疏散星团的直径大多数在3至30多光年范围内。有些疏散星团很年轻，与星云在一起（例如昴星团），甚至有的还在形成恒星。

昴星团位于金牛座。金牛座位于赤经4时20分，赤纬17°，在英仙和御夫两座之南，猎户座之北。座内有著名的昴星团和毕星团，以及M1蟹状星云，以“两星团加一星云”而闻名。金牛座α星我国古代称毕宿五，是颗橙色的1等星，在全天亮星中排第13位。座内共有亮于4等的星28颗。金牛宫是黄道第二宫，每年4月20日前后太阳到达这一宫，那时的节气是谷雨。

金牛座毕宿五与狮子座轩辕十四、天蝎座心宿二和南鱼座北落师门共四颗亮星，在天球上各相差约90°，正好每个季节一颗，被合称为黄道带的“四大天王”。连接猎户座γ星和毕宿五，向西北方延长一倍左右的距离，是一个著名的疏散星团——昴星团（图10.1.3）。眼力好的人可以看到这个星团中的7颗亮星，所以我国古代又称它为“七簇星”。昴星团距离我们417光年，直径达13光年，用大型望远镜观察，可发现昴星团有280多颗星。另一个疏散星团叫毕星团，它位于毕宿五附近，但毕宿五不是它的成员。毕星团距离我们143光年，是离我们最近的星团。毕星团用肉眼可看到五六颗星，实际上大约有300颗。金牛座ζ星附近，有一个著名的大星云，英国的一位天文学家根据它的形状把它命名为“蟹状星云”。21世纪天文学家推断出蟹状星云是1054年一次超新星爆发的产物。

图10.1.3　昴星团

二、星云的基本知识

星云包含了除行星和彗星外的几乎所有延展型天体。它们的主要成分是氢，其次是氮，还含有一定比例的金属元素和非金属元素。近年来的研究还发现含有有机分子等物质。

最初所有在宇宙中的云雾状天体都被称作星云。后来随着天文望远镜的发展，人们的观测水准不断提高，才把原来的星云划分为星团、星系和星云三种类型。

1758年8月28日晚，一位名叫梅西耶的法国天文学爱好者在巡天搜索彗星的观测中，突然发现一个在恒星间没有位置变化的云雾状斑块。梅西耶根据经验判断，这块斑形态类似彗星，但它在恒星之间没有位置变化，显然不是彗星。这是什么天体呢？在没有揭开答案之前，梅西耶将这类发现（截至1784年，共有103个）详细地记录下来。其中第一次发现的金牛座中云雾状斑块被列为第一号，既M1，“M”是梅西耶名字的缩写字母。

梅西耶建立的星云天体序列，至今仍然在被使用。他的不明天体记录（梅西耶星表）发表于1781年，引起英国著名天文学家威廉·赫歇尔的高度注意。在经过长期的观察核实后，赫歇尔将这些云雾状的天体命名为星云。

由于早期望远镜分辨率不够高，河外星系及一些星团看起来呈云雾状，因此把它们也称之为星云。哈勃测得仙女座大星云距离后，证实某些星云其实是和我们银河系相似的恒星系统。由于历史习惯，某河外星系有时仍被称之为星云，例如大小麦哲伦星云、仙女座大星云等。

当我们提到宇宙空间时，我们往往会想到那里是一无所有的、黑暗寂静的真空。其实，这不完全对。恒星之间广阔无垠的空间也许是寂静的，但远不是真正的“真空”，而是存在着各种各样的物质。这些物质包括星际气体、尘埃和粒子流等，人们把它们叫做“星际物质”。

星际物质与天体的演化有着密切的联系。观测证实，星际气体主要由氢和氦两种元素构成，这跟恒星的成分是一样的。其实，恒星就是由星际气体“凝结”而成的。星际尘埃是一些很小的固态物质，成分包括碳合物、氧化物等。星际物质在宇宙空间的分布并不均匀。在引力作用下，某些地方的气体和尘埃可能相互吸引而密集起来，形成云雾状，人们形象地把它们叫做“星云”。按照形态，银河系中的星云可以分为弥漫星云、行星状星云等几种。

同恒星相比，星云具有质量大、体积大、密度小的特点。一个普通星云的质量至少相当于上千个太阳，半径大约为10光年。

气体星云按照光学特征分为亮星云和暗星云，亮星云又分为发射星云、反射星云、超新星遗迹。

1.亮星云

（1）发射星云

发射星云是受到附近炽热光量的恒星激发而发光的，这些恒星所发出的紫外线会电离星云内的氢气（HⅡregions），令它们发光。

发射星云能辐射出各种不同色光的游离气体云（也就是电浆）。造成游离的原因通常是来自邻近恒星辐射出来的高能量光子。这些不同的发射星云有些类型是氢Ⅱ区，也就是年轻恒星诞生的场所，大质量恒星的光子是造成游离的来源；而行星状星云是垂死的恒星抛出来的外壳被暴露的高热核心加热而被游离的。

通常，一颗年轻的恒星在诞生的过程中都会造成周围的部分气体游离，虽然只有质量大且热的恒星能造成大量的游离，但一群年轻的星团经常也可以造成相同的结果。

星云的颜色取决于化学组成和被游离的星，由于在星际间的气体绝大部分都是在相对下只要较低能量就能游离的氢，所以许多发射星云都是红色的。如果有更高的能量能造成其他元素的游离，那么绿色和蓝色的云气都有可能出现。经由对星云光谱的研究，天文学家可以推断星云的化学元素。大部分的发射星云都有90％的氢，其余的部分则是氦、氧、氮和其他的元素。

在北半球，最著名的发射星云是在天鹅座的北美洲星云（NGC7000）和网状星云（NGC6960/6992）；在南半球最好看的则是在人马座的礁湖星云M8/NGC6523和猎户座的猎户星云（M42）。在南半球更南边的则是明亮的卡利纳星云（NGC3372）。

图10.1.4　M8位于人马座，属于发射星云

发射星云经常会有黑斑出现，这是云气中的尘埃阻挡了光线造成的。发射星云和尘埃的组合经常会造成一些看起来很有趣的天体，而许多这一类的天体都会有传神或有比喻的名称，例如北美洲星云和锥星云。

有些星云是由反射星云和发射星云结合在一起的，例如三裂星云。

（2）反射星云

反射星云是靠反射附近恒星的光线而发光的，呈蓝色（由于散射对蓝光比对红光更有效率，这与天空呈现蓝色和落日呈现红色的过程相同，所以反射星云通常都是蓝色）。以天文学的观点，反射星云只是由尘埃组成，单纯地反射附近恒星或星团光线的云气。这些邻近的恒星没有足够的热让云气像发射星云那样因被电离而发光，但有足够的亮度可以让尘粒因散射光线而被看见。因此，反射星云显示出的频率光谱与照亮它的恒星相似。

图10.1.5　M78反射星云

（3）超新星遗迹

超新星爆发后留下的遗迹是些不规则的纤维体。它的光谱主要由发射线组成。1944年发现的蟹状星云就是著名的SN1054超新星遗迹。另外，有几个纤维状星云，现在也已被证明与历史上的超新星有联系。对它们的纤维状化学成分的研究表明，它们都是重元素丰富的区域。这个发现证实了这样一个思想：这些纤维状云体发生过相当多核反应过程，是很晚期恒星的喷射物。这也支持了星际介质中大部分丰富的重元素来自超新星爆发的观点。

超新星爆发留下的没有规则形状的星云状物质的辐射是一个连续谱，而且辐射是强偏振的。如蟹状星云里的光偏振很强，很难用尘埃颗粒的散射引起偏振来解释。阿尔芬等提出：超新星遗迹的辐射是由同步加速辐射过程引起的。有人持不同意见，但还是认为它的辐射是非热辐射，所以把超新星遗迹叫做非热辐射星云。

图10.1.6　超新星遗迹（SNR）0509-67.5所在的大麦哲伦星云，这个星云距地球约16万光年

2.暗星云

如果气体尘埃星云附近没有亮星，则星云将是黑暗的，即为暗星云。暗星云由于它既不发光，也没有光供它反射，但是能吸收和散射来自它后面的光线，因此可以在恒星密集的银河中以及明亮的弥漫星云的衬托下被发现。

暗星云的密度足以遮蔽来自背景的发射星云或反射星云的光（比如马头星云），或是遮蔽背景的恒星。

图10.1.7　猎户座的暗星云

天文学上的消光通常来自大的分子云内温度最低、密度最高部分的星际尘埃颗粒。大而复杂的暗星云聚合体经常与巨大的分子云联接在一起，小且孤独的暗星云被称为包克球。

这些暗星云的形成通常是无规则可循的：它们没有被明确定义的外形和边界，有时会形成复杂的形状。巨大的暗星云以肉眼就能看见，在明亮的银河中呈现出黑暗的补丁。

暗星云的内部是发生重要事件的场所，比如恒星的形成。